JPH0340516B2 - - Google Patents

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JPH0340516B2
JPH0340516B2 JP61066990A JP6699086A JPH0340516B2 JP H0340516 B2 JPH0340516 B2 JP H0340516B2 JP 61066990 A JP61066990 A JP 61066990A JP 6699086 A JP6699086 A JP 6699086A JP H0340516 B2 JPH0340516 B2 JP H0340516B2
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laser
bore
radiation
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/04Arrangements for thermal management
    • H01S3/041Arrangements for thermal management for gas lasers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/03Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/032Constructional details of gas laser discharge tubes for confinement of the discharge, e.g. by special features of the discharge constricting tube

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は伝導冷却ガス・イオン・レーザーのた
めの斬新な改良型ボア組立体に関する。本発明の
独特のボア組立体は冷却用の熱伝導路を作るため
の機械的拘束を持たせた設計を用いる。それによ
り、ボア(孔腔)の放射封入素子を形成する材料
がろう付け性を考慮することなく選択され得るよ
うになる。特にこの行き方は伝導冷却型レーザー
にボア材料としてのグラフアイト(ろう付けが困
難)の使用を実用化する。そのうえ、ろう付け以
外の例えば耐浸食性(スパツター・レジスタン
ス)のような要素に基づいて他のボア材料を選択
することができ、レーザー・チユーブの設計の柔
軟性が増す。 また本発明はガス・イオン・レーザーの改良に
関する。特に本発明と同じ譲受人に譲渡され、参
考として本明細書に記載される米国特許第
4378600号および第4376328号に開示された型式の
伝導冷却型レーザーに用いるのに適している。 後者の特許に開示されたガス・イオン・レーザ
ーの型式は、アルミナのようなセラミツク材から
形成される比較的薄肉の電気絶縁性外筒を含む。
中心ボアの中で放射を生ずるようにチユーブ内の
ガスを励起しボアから熱を伝導し去るための装置
が設けられる。 前記の特許に開示される構造において、放射を
封入するための装置は複数の耐浸食性の、同心状
に整合されたタングステン円板から成る。各タン
グステン円板は熱伝導性銅カツプにろう付けさ
れ、銅カツプはつぎにセラミツク外筒の内壁にろ
う付けされる。作動中は、放射線からの熱は、円
板から銅カツプを通りさらにセラミツク筒の壁を
通つてセラミツク筒まわりのジヤケツトの中を流
れる冷却水に伝導されることにより伝達される。 前記特許においては、タングステンが銅カツプ
にろう付け可能であり、また比較的に耐浸食性が
良いので、タングステンがボア材として用いられ
る。レーザーの出力および寿命を決める上で、ボ
アの耐浸食性が重要である。 商業上生き残れる製品を生ずるために、レーザ
ーは少なくとも1000時間は現場で運用可能でなけ
ればならない。運用寿命の最大の制限要因はボア
画成素子の緩慢ではあるが継続的な浸食である。
使用中に、ボア材は熱とイオンによる連続的な衝
突にさらされ、イオンは壁のシース電位により可
速されてボア壁にあたる。この浸食過程がボア壁
を浸食しボア径を大きくして、遂にはレーザー過
程に必要な封入性を与えなくなる。従つてボアに
耐浸食性の高い材料を選ぶことにより寿命を長く
することができる。 レーザーの出力はボアの寿命と耐浸食性に密接
に関係している。特に、どのような秀れたガス・
イオン・レーザー構造においても、電流すなわち
出力を増すと、浸食率は劇的に高まる。よつて電
力増加は通常、それ相応の寿命の低下を伴うの
で、耐浸食性がより高いボア材が有利となるであ
ろう。 耐浸食性の秀れたボアの構成を妨げていた主要
原因の一つは、ボア材が熱伝導性性カツプ部材に
容易にろう付けされる能力を具えなければならな
いという要求である。タングステンよりも耐浸食
性が高いが、ろう付けが容易でないという材料が
今日幾つか存在する。或る材料は脆すぎて、ろう
付け継ぎ手に伴う熱誘起応力に耐えられない。ろ
う付け可能の他のボア材もあるが、これらの材料
はレーザー・チユーブの残りの部分の製作に適し
ないろう付け温度および部品形状を必要とする。
銅カツプへのろう付け能力を考慮せずに、耐浸食
性に基づいてボア材を選択させるボア設計を開発
することが大いに望ましいであろう。 よつて、斬新な改良された伝導鈴却型のイオ
ン・レーザー用グラフアイト製ボア組立体を与え
ることが本発明の一目的である。 放射封入素子として広範囲にわたる種々な材料
を用いることのできる斬新な改良型ボア組立体を
与えることが本発明のいま一つの目的である。 ろう付け特性を考慮することなく放射封入素子
を形成する材料の選択を可能にする斬新な改良型
ボア組立体を与えることが本発明のいま一つの目
的である。 耐浸食性の高い材料グループから放射封入素子
を選択し得るようにするる新しい改良型ボア組立
体を与えることが本発明のさらにいま一つの目的
である。 新しいボア材の試験を容易にする新しい改良型
ボア組立体を与えることが本発明のいま一つの目
的である。 寿命がより長いレーザーの設計を可能にする新
しい改良型ボア組立体を与えることが本発明のさ
らにいま一つの目的である。 出力がより高いレーザーの設計を可能にする新
しい改良型ボア組立体を与えることが本発明のい
ま一つの目的である。 内部部品が簡単化された新しい改良された伝導
冷却型イオン・レーザーを与えることが本発明の
いま一つの目的である。 上記その他の目的に従つて本発明はガス・イオ
ン・レーザーに用いるのに適した新しい改良され
たボア組立体を用意する。ガス・イオン・レーザ
ーは電気絶縁材から形成される薄肉円筒チユーブ
を有する型式であることができる。チユーブにそ
れぞれ中心開口部を有する複数の熱伝導部材が設
けられる。各熱伝導部材の外周は熱伝導路を与え
る円筒チユーブの内面に取付けられる。 ボア組立体は中心チヤンネルが中に形成れた放
射封入素子すなわちインサートにより画成され
る。放射封入素子の少なくとも一部分のまわりに
配設される外側支持部材すなわちスリーブが設け
られる。放射封入素子が機械的に拘束されるよう
な態様で外側支持部材が熱伝導部材に結合され
る。 組立ての際、ボア組立体は米国特許第4376328
号に記載される仕方でマンドレルに取付けられ
る。製作中、インサートの各々の中心チヤンネル
を同心状に整合させるためにマンドレルに張力を
かける。この時、インサートを機械的に拘束する
仕方でスリーブを連合する熱伝導部材にろう付け
することができる。熱伝導部材を同一段階でレー
ザー・チユーブの壁にろう付けすることができ
る。 以下に、より詳細に述べるように、放射封入素
子を機械的に拘束するための実施例は多数ある。
チユーブの壁への放射に際して発生した熱を伝導
伝達するための通路を画成するために、放射封入
素子と外側スリーブの間に緊密なはめ合い配置が
樹立される。本願において、「機械的な拘束」と
いう語はレーザーの作動中に伝熱路が強化される
形状を定義するものである。具体的には、作動中
にボア軸線にそう放射により発生した熱はこの軸
線から半径方向に離れるように流れ、そのため、
ボア・インサートは外側スリーブよりも高い温度
に熱せられて半径方向にスリーブに対して膨脹す
る。機械的に拘束された形状では、この膨脹は部
材間により緊密な接触を生じて、レーザー作動中
に熱サイクルを受けながら、部材は結合を保ち秀
れた伝熱路を画成する。 ボア素子と外側スリーブの間の熱接触区域は局
部的に相互に対して突き出た顕微鏡的な山と谷か
ら成つていると見なすことができる。半径方向の
膨脹差は境界面にわたつて山を谷に押し込む数を
増すので、密着接触する表面面積は温度差と共に
増す。作動中に発生する熱が熱伝達を高めるの
で、室温にて初期の緊密なはめ合いを確保するこ
とだけが必要である。必要なはめ合いの緊密性
は、インサートとスリーブ材の間の膨脹差の割
合、拡散しなければならないボア組立体当りの人
力熱、およびインサートの許容最高作動温度によ
り決定される。インサートをスリーブの中に機械
的に拘束して、膨脹差と共に熱接触面積を強制増
加するようにはめ合いが形成される。 レーザー・ボアの伝導冷却のための伝熱通路を
良くするために半径方向膨脹を用いることは従来
技術で使用されている。例えば、Myers(マイヤ
ース)の米国特許第3501714号は薄肉の外側セラ
ミツク・チユーブの中に取付けられる円板形熱伝
導部材を開示する。一つの実施例において、円板
にばね作用を生ずるようにその周囲近くにアンダ
ーカツト(下面の削りおとし)が設けられ、少し
オーバーサイズの円板をセラミツク・チユーブに
強制はめこみするようになつている。いま一つの
実施例においては、完全な円板がゆるくチユーブ
の中にはめ込まれる。チユーブの作動中にこれら
の円板は半径方向に膨脹してセラミツク壁との熱
接触を高める。ボアに要求される光学的な直線性
はセラミツク・チユーブの内径の真円性および直
線性、円板の外径、ならびに円板の穴の同心度を
精密な公差に収めることにより得られる。その他
に、これらの半径方向に接触する部品の表面仕上
げが精密に規定される。これらの公差は達成可能
ではあつたが、今日市販の水冷式イオン・レーザ
ーの長さにわたつてレーザーが作りこまれたこと
はない。 本発明は比較的小形の部品と単純な形状を画成
するように封入構造を分割することにより前記
Myersの特許の欠点を克服する。長いチユーブ長
の部品よりも、短かいセグメント(分割商品)の
厳しい公差の部品を与えることの方がずつと容易
であることは自明である。本発明は構成はボア部
材を同心整合させるための簡易装置を与えるとい
う補足的利点を有する。より具体的には、ボア組
立体を熱伝導部材に恒久的に取付ける段階の前
に、ボアのチヤンネルの全部を同心整合させるよ
うに張力をかけられたマンドレル上にボア組立体
を取付けることができる。 前記のMyers特許で、外側セラミツク壁よりも
熱膨脹係数が小さい熱伝導部材(Myerの円板)
の材料を選ぶことが望ましいとの説明が為されて
いる。一般にセラミツクは膨脹係数が低く、圧縮
に強いが引張りに弱く、そのために内側の金属
(幾つかの膨脹率の低い金属を除く)の膨脹によ
り容易に破損し得る。それに反し、本発明では、
外側スリーブを金属にするのに対し、ボア画成イ
ンサートを膨脹率の低い耐火材から作ることがで
きる。脆いボア画成材を内側に、そして柔軟な、
膨脹率の高い材料を外側(スリーブ)に配するこ
とにより、本発明はMyer特許の限界を克服する。 本発明を実施するための種々の幾何学形状およ
び実施例が以下に述べられる。しかし、緊密なは
め合いの機械的封入を用いることにより、本発明
は放射封入素子を形成する材料を、そのろう付け
特性に考慮を払うことなく選択することを可能に
する。 望ましい実施例において、グラフアイトがボア
画成素子として用いられる。ボア直径に略等しい
か、またはそれより大きな厚みを有する電伝性の
長尺のボア素子が用いられた従来技術において、
素子の陽極対面端において陰極対面端よりも加速
的な浸食が見られる。例えば厚さ5mmで、直径
2.8mmの本来真直ぐのボア孔を有するタングステ
ン製ボア素子がクリプトン・レーザーで
650Amp/cm2の電流密度にて400時間運用された。
この素子で、陽極に向つて開く円錐形孔が生じ、
約50mm3のタングステンが浸食により除去された。
いま一つのクリプトン・レーザーにおいて、2倍
以上の運用時間中に、薄い、0.5mmの厚みを有す
るボア素子(Hobart装置に見られるようなもの)
から除去された約10分の1のタングステン体積に
比べ、上記の浸食率は対照的である。 この加速された浸食率は、従来技術(例えば
K.G.HerngvistおよびJ.R.Fendley、Jr.のIEEE
Journal of Quantum Eletronics、VOl.QE−3、
1967年2月号、p.66〜72“Construotion of long
Life Argon Lasers長寿命のアルゴン・レーザー
の構成”、特に第4図、参照)に説明されるよう
に、中心ボアにそうプラズマ電位とボア画成素子
の陽極端における電位との間の差が比較的大きい
ことによる。長い導電性ボア素子の急速な浸食の
この効果が、初期のイオン・レーザー・ボア設
計、特にE.I.GordonおよびE.F.Labudaの米国特
許第3531734号に開示されるもの、の実用を制限
した重要な要因である。このようなチユーブ設計
において浸食され飛散した材料はチユーブ内の他
の個所に移動してセグメント間に電気的短絡を生
ずることが有り得る。短絡状態は短絡部分への不
均一な放射熱入力によりチユーブ故障(セラミツ
ク壁の破損)を生ずることが有り得る。 しかしながら、グラフアイトの耐浸食性は非常
に大であるから、この材料でできた長尺のボア素
子でも著しい浸食を示さない(G.K.Wehnerの
Physical Review102、P.690、1956年、第7図
“Controlled Sputtering of Metals by Low−
Energy Hg Ions、低エネルギ水銀イオンによる
金属浸食の制御”、参照、またN.LaeireidとG.K.
WehnerのJ.Appl.Phys.32(1961年 3月号)
pp.365−365、“Sputtering Yields of metals
for Ar+andNe+Ion With Energies
from50to600eV、50〜600電子ボルトのエネルギ
におけるAr+およびNe+イオンによる金属の浸食
降伏”、R.V.StuartとG.K.WehnerのJ.Appl.
Phys.33(1962年 7月号)pp.2345〜2352、
“Sputtering Yields at Very Low Bombarding
lon Energies極低衝撃イオン・エネルギにおける
スパツタリング量”およびその引用文献、参照)。
下記に述べるように、長尺のグラフアイト製ボア
画成素子を用いることにより、内部チユーブ部品
を単純化することが可能である。特にHobart装
置においてチユーブ内の放射領域(ガスが高温で
イオン化している個所)をガス戻り窓を有する領
域(効率的なガスの戻りのために低温で電気的に
中性のガスが望ましい個所)から隔離するために
円筒リング形ガス遮蔽板が望ましい。本発明にお
いて、相互間に小さな〓間を有する長いボア素子
は高温プラズマのためのヒート・シンク(吸熱
体)を与えるように働き、それにより組立体の半
径方向外側にある冷却ガスをプラズマが加熱する
ことを防いでいる。長いボア素子はまた隣接する
ボア組立体の密接隔置される表面上でのイオンの
再結合を強制することによつて、イオンがガス戻
り通路孔の領域に到達するのを防止する。この効
果の結果、チユーブの一端から他端へのガス圧送
が制御されることになる。よつて、長い、耐浸食
性の高いボア組立体はHobart装置におけるガス
遮蔽板と同等の態様で機能する。事実、別個の円
統計ガス遮蔽板なしでチユーブを作動することが
可能である。 リング形ガスの遮蔽板の削除により得られた銅
カツプの表面面積の増加分を利用してガス戻り通
路の伝導性を(窓の追加により)高めるか、また
はより小さい直径のチユーブで同じガス戻り通路
の伝導性を与えることもできる。代表的なイオ
ン・レーザーは軸方向の磁界を用いる。よつて、
チユーブの外径が小さいと、磁石は小形・軽量化
され、低価格となる。 本発明の補足的利点の一つは、放射封入素子の
ための種々の材料を迅束に評価し得るようにする
ことである。耐浸食性の種々の材料を試験するた
めの作業が、特に前記G.K.Wehnerにより多くな
されている。しかし彼の材料浸食試験はネオン・
クリプトンまたはクセノンのイオンよりもアルゴ
ン・イオンによる浸食について広範囲に行われて
いるが、これらのガスの全てにおいて有用なイオ
ン・レーザー遷移(transtion)がある。浸食率
はイオンおよび材料の双方に大いに左右され、可
能な組合せの全てについて別々に測定されなけれ
ばならない。レーザー中の新材料の評価は、ろう
付け技法その他その新材料について試験するのに
必要なパラメータを最適化するために、時間と費
用を要する。近年、充分に試験されていない多く
の新材料が開発されている。例えば理論値に近い
特性を有する高密度、高純度の窒化アルミニウム
が1983年に初めてHeraeus GmbH社(西独
Hanau市)から入手可能となつた。典型的なイ
オン・レーザーの生涯を通じてボア材が受けるで
あろうレベルの1%以下のイオン衝撃実験レベル
を用いて多くの旧材料が耐浸食性について試験さ
れた。これより厳しい条件においてさらに試験が
必要である。本発明は、このような新材料または
試験が不充分な旧材料をボア素子への適性につい
て評価するための簡易な装置を与える。自明の通
り、本発明では材料を熱伝導素子にろう付けする
必要がないから、ボア組立体の内側放射封入素子
として未試験材料を成形しさえすればよい。 以下に添付図面を参照しつつ為される詳細な記
載から本発明の、さらに他の目的および利点が明
らかになるであろう。 第1図、第2図および第12図を参照するに、
本発明の新しい改良されたボア組立体を構成する
素子が図解される。このボア組立体20は特にガ
スレーザー、望ましくは、米国特許第4378600号
および第4376328号に開示される型式のガスイオ
ン・レーザー10に使用するのに適している。こ
のようなガスイオン・レーザーの構成は引用によ
り本明細書に取入れられる前記特許に詳細に記載
されているので、改めて本明細書でのべることは
ない。簡単にいえば、レーザー10は、アルミナ
から成形されることが望ましい比較的薄肉のセラ
ミツク・チユーブ22を含む。チユーブの両端に
放電を誘起するための陽極2および陰極3が設け
られる。レーザー10の光学的空洞を画成するた
めに鏡4,5が設けられる。水ジヤケツト6が放
電管を取り囲む。入口7からジヤケツト内に流れ
る水は管から出る伝導熱を吸収し、出口8を通つ
て出る。窓組立体9,11も示される。陰極組立
体3は電源に接続する2個のリード線コネクタ1
2,13を含む。陽極の接続は第12図に図示さ
れない。 管の中央部分には、第1図に詳細に示されるよ
うに、ガス放射を封入し、中央孔腔から管の外側
表面へ熱を伝導するための装置が設けられる。熱
を伝導するための装置はほぼカツプ形の形態をと
る複数の熱伝導部材24により画成される。部材
24は銅により形成されることが望ましい。銅は
熱伝導性が高く比較的展性があり、ろう付け可能
であるからである。各各部材24にはセラミツ
ク・チユーブ22の内面にろう付けされる縁部分
26が設けられる。 セラミツク・チユーブ内への熱伝導部材24の
組付けは前記米国特記に詳細に記載されている。
能動的ろう付け技法および蒸着技法を含む様々な
公知の方法によりろう付けが行われる。本発明の
目的上、熱伝導部材24とチユーブの間に熱伝導
路が画成されることを理解することが大切であ
る。よつて放射による熱は部材にそつてチユーブ
の表面に伝導されて、拡散される。セラミツク・
チユーブからの熱拡散は空気冷却または水冷ジヤ
ケツトの使用により行うことができる。 各部材24には中央開口部28が設けられる。
開口部24がほぼ整合するように部材24が取付
けられる。部材24にはさらに複数のガス戻り孔
29が設けられる。ガス戻り孔はレーザーの作動
中、チユーブ壁内でガスが再循環するのを可能に
するために設けられる。Hobart特許に詳しく述
べられているように、この再循環を高めるために
円筒リング形ガス遮蔽板を設けることも望ましい
であろう。熱伝導部材1個のリング形ガス遮蔽板
27が結合されるのが第1図の右端に示される。 当業者にとつて公知のように、セラミツク・チ
ユーブの外側にもガス戻り通路を設けることがで
きる。本発明は上記の何れの形態をも含むことを
意図される。 上記のように、放射を封入するための装置は本
発明による新らしい改良されたボア組立体20に
より画成される。本発明のボア組立体20は耐浸
食性の高い材料から形成された放射封入素子すな
わちインサート30を含む。放射局限素子には中
央チヤンネル32が形成される。チヤンネル32
の両端34は浸食の初期効果を減ずるように外方
に拡がり(フレア)を有する。 第1図乃至第3図に図解される本発明の第1の
実施例において、放射封入素子の外面は傾斜付き
の形態をとつている。外面は滑らかで、截頭円錐
形であることが望ましい。素子30の外面の直径
は素子が連合する熱伝導部材24から離れるに従
つて細くなるように傾斜の方向が画成される。 本発明によれば、ボア組立体は放射封入素子3
0の少なくとも一部分の回りに配設されるように
された外側支持部材、すなわちスリーブ40をも
含む。外側支持部材40は熱伝導部材にろう付け
するのに適するように選ばれた材料から作られ
る。外側支持部材の材料は高度に耐浸食性である
必要はないが、熱伝導部材に秀れているべきであ
る。他の要求が無ければ、外側支持部材40を、
ろう付けする相手の熱伝導部材24と同じ材料か
ら形成し、それによりこれらの素子の間の膨張系
数の違いを無くするのが望ましい。下記のよう
に、外側支持部材40は熱伝導部材24と協動し
て、放射封入素子を機械的に拘束する。 図示の実施例において、外側支持部材40はほ
ぼ円筒形の形態を有する。支持部材40の内面4
2には、放射封入素子30の外面の傾斜付き形態
を補合する傾斜付き形態が設けられる。下記に述
べるように、この補合形態は部材間の秀れた熱的
接触および強い機械的はめ合を助けることを意図
される。第2図に示す残りの素子はろう付けリン
グ50であるが、その機能は本発明の組立てに関
連して説明される。ろう付けリング50は
Nicusil−3のような材料から形成されることが
できる。 第3図に本発明の組立方法が図解される。同様
のチユーブの組立方法が前記米国特許第4376328
号に記載されているので、組立方法の異なる部分
を除いては、本書では詳しく触れない。 チユーブの組立中、先ずマンドレル60を外筒
の中心に通す。つぎに伝導部材24を、開口部2
8の中心がマンドレルの中心と一致するように挿
入する。最初の組立段階の間は、第12図に示す
ようにチユーブは水平向きである。前記特許に記
載されるように、カツプの縁部26は拡張されて
チユーブの壁に強制的に接触させられる。
Ticusil製ろう付けリング(図示せず)がカツプ
縁部と外筒内壁の間に配置される。代りに、カツ
プとセラミツクの内壁が精密切削されている場合
には、ろう付け段階中にカツプが膨張してセラミ
ツクに接触することも有り得る。後者の場合、ろ
う付け段階の前に金属蒸着段階を用いることが望
ましいかも知れない。 本発明の方法によれば、放射封入素子30、ろ
う付けリング50および外側支持部材40がつぎ
にマンドレル上を滑動して筒体の中に挿入され
る。下記に述べるように、望ましい実施例におい
て、マンドレルに取付ける前に、外側支持部材4
0と放射封入素子30から成るボア組立体20が
予め組立てられる。第2図で良く判るように、組
立て中にろう付けリング50の位置決めを助ける
ために円周みぞ52を外側支持部材40に設ける
こともできる。熱伝導素子24の挿入、拡張およ
びボア組立体素子の取付けの段階を連続的に繰返
えして、最後に全体のレーザー・ボアが画成され
る。カツプおよびチユーブ内面が精密切削されて
いる場合は、チユーブの外で、間に非伝導性スペ
ーサを挿んでカツプを積重ねてから、チユーブ内
に挿入することもできる。使用する素子およびそ
れらの間のスペーサの数は構成中のレーザーの特
定の設計、長さおよび出力電力によつて決まる。
第3図は判易くするために、単独のカツプおよび
ボアの組立体のみを図解する。しかし全てのレー
ザーには複数の組立体が使用されることを理解す
べきである。 全ての素子がチユーブ中に取付けられた後、レ
ーザー・チユーブは第3図に図解されるように垂
直位置に回転される。つぎにマンドレル60に張
力をかけて各放射封入素子のチヤンネル32を同
心状に整合させてレーザーのボアを画成する。チ
ユーブ全体を炉に入れて加熱する。ろう付け周期
は使用するろう材により決まる。炉内の時間、温
度、ガス条件の適正値はろう材製作会社から一般
に入手し得る。カツプをチユーブの内壁にろう付
けするのにTicusilを用いる場合、真空環境が用
いられ、830〜850℃のろう付け温度が望ましい。
それ以上の情報はTicusilの製作会社WESGOか
ら入手することができる。加熱はろう付けリング
50を溶かして支持部材40の周囲と連合する熱
伝導部材24との間にろう付け継ぎ手44を与え
る。外側支持部材を熱伝導部材に個所44にて取
付けることで、放射封入素子の機械的拘束を生ず
ることになる。同じ加熱手段中に、熱伝導部材2
4をチユーブ22の内面にろう付けすることもで
きる。生じた組立体は第1図に示される。熱伝導
部材に容易にろう付けすることができ、熱伝導性
の秀れた通路を形成することのできる銅から外側
スリーブ40が形成されることが望ましい。 望ましい実施例において、放射封入素子30は
グラフアイト製である。前述のように、グラフア
イトは耐浸食性に秀れた材料であるが、特にろう
付けに適しているわけではない。明らかなよう
に、本発明は放射を封入するように働くグラフア
イト・セグメントで伝導冷却式イオン・レーザー
を構成することを可能にする。 銅のスリーブ(外側支持部材)とインサート
(放射封入素子)の截頭円錐形の組合せ形状は、
部品寸法交差を厳しくする必要なしに緊密なはめ
合いを与えることを意図している。これはボア組
立体20を画成するためにスリーブ40をインサ
ート30に予め組付ける段階で達成される。最初
に銅スリーブが展張性を得るために焼なましされ
る。銅スリーブは960℃にて20分間、水素ふん囲
気の炉で焼なましされる。つぎに熱伝導部材に面
する表面が面一(つらいち)になるまでスリーブ
をインサート30上に押し込む。 グラフアイト・インサートの圧縮強さは焼なま
した銅の引張強さより優つているので、この圧入
手順でスリーブの直径は広がる。例えば、軸線に
そう厚さ0.30インチ(7.6mm)、円錐半項角2イン
チのインサートを元の外径0.500インチ(12.7mm)
(第1図D3)を有するスリーブに(圧力を加える
ことなく)挿入した。面一になるまでスリーブに
押し込むと、スリーブの外系は0.510インチ
(12.95mm)まで広がつた。よつて圧入前の1000分
の数インチという初期部品交差が吸収されて、圧
入後の部品の表面仕上げ、約32マイクロインチ
(0.8ミクロン)rmsに匹敵する組合せ面接触が得
られる。銅の引伸ばしにより吸収される限度内に
組合せ部品の円錐角を適合させることが望まし
い。この交差内の円錐角は同じ旋盤の段取りでス
リーブとインサートの双方を切削するか、または
補合する円錐を切削するための組合せ成形工具を
用いて、容易に達成されることができる。 銅スリーブの熱膨張系数はグラフアイトのそれ
よりも大きいので、組立て中にいま一つの行き方
により秀れた機械的および熱的接触が得られる。
第3図を参照するに、ろう付け段階において、外
側支持部材は放射封入素子よりもよけいに膨張す
る。もしも圧入段階で銅スリーブががグラフアイ
ト素子の面と面一になるまで押し下げられなかつ
た場合、スリーブはこの時点で下方に、熱伝導部
材24にもつと近くまで下りる。冷却すると、ス
リーブは収縮し、グラフアイト素子を圧迫して、
非常に秀れた熱接触を与える。その上、この収縮
は放射封入素子の封入を助ける。 素子間の相対的な熱膨張系数が逆の場合にも本
発明を実施することができる。この場合、ろう付
けサイクル中の冷却の際、外側支持部材と放射封
入素子の間に僅かな分離が発生するかも知れな
い。前述のように、レーザーの作動中、中心のボ
ア孔に熱が発生し、放射封入素子を半径方向に膨
張させて外側支持部材との緊密な接触を再び確立
する。 或る状況においては、インサートをスリーブに
ろう付けしてボア組立体の封入および伝熱路をよ
くすることが望ましいこともある。過去において
は、グラフアイトを金属にろう付けすることは不
可能ではないにしても非常に困難であつた。しか
し、近年、能動金属ろう付けのような新らしいろ
う付け法が開発されて、これらのろう付けが可能
となつた。(1967年米国ニユーヨーク州Kohl、
Reinholt Publishing Co.“Handbook of.
Material s and Techniques for Vacuum
Device真空装置用の材料および技術のハンドブ
ツク”p.382参照)。そのような能動金属ろう材が
Ticusilである。 これらの能動金属ろう材は従来の多くのろう材
と異なり、表面を「ぬらして穴の中に流れこむこ
とがあまりないので、接合する部品との間のろう
材との間に密接接触を作ることが必要である。本
発明のボア組立体の形態はこの要求を満たす簡易
手段を与える。例えば、前記の圧入した組立体に
おいて、グラフアイト素子と同スリーブの間に緊
密な接触が確立される。この進め方はこれらの形
式の能動ろう付けに必要な緊密接触を達成するの
に充分であることが立証されている。 一つの試験片において、下記の第1表に示す寸
法を有する銅スリーブおよびグラフアイト・イン
サートが適合する円錐形に成形された一片の
Ticusil箔と共に用いられた。箔は圧入段階の前
に部品の間に挿入された。圧入段階中、銅スリー
ブはグラフアイト素子と周囲のTicusil箔の上に
拡張されて銅およびグラフアイトの両素子の平坦
面が面一に(前述のように)なるまで押しこまれ
た。グラフアイト素子は次のろう付け段階にて前
記の「沈降」効果を生ずるようにろう付け炉の中
で直径がより細い柱の上に支持された。組立体は
垂直に向けられ、Ticusilろう剤に適つたサイク
ルを用いて真空炉中でろう付け温度に加熱され
た。この試験片をつぎに切断して見た所、ろう付
け継ぎ手は機械的に強力であつた。 これらの部品寸法およびろう付け温度では、傾
斜形状による「沈降」効果が無ければ、銅とグラ
フアイトの素子間に1000分の2インチ(50μ)の
半径方向〓間が生じたであろう。ろう付けサイク
ルの後で相対位置が測定され、グラフアイト素子
の表面が銅の縁の0.044インチ(1.118mm)下方に
来る迄(最初は面位置であつた)、銅片が降下し
ていることが判つた。沈降効果が2/1000インチ
(50.8μ)の膨張〓間の全部を吸収したとすれば、
沈降距離は、0.058インチ(1.473mm)であつたで
あろう。銅片は圧入段階にて初期拡張されてひず
んでおり、〓間(そして「沈降」)が生じ得る前
に存在する弾性変形を除去するために温度上昇に
よる初期膨張差が必要であつたから、この時の沈
降距離に小さな違いがあるのは妥当である。この
ように、この傾斜形状はこのろう付け試験の成功
に寄与した。グラフアイト・インサートへのろう
付けが必要な他の形状においては、熱膨張系数を
良く適合させるために、モリブデン・スリーブ
(または銅メツキしたモリブデン・スリーブ)を
用いることもできる。 第1図乃至第3図および第12図に示す実施例
に従つて多数のレーザー・チユーブが作られた。
主要ボア部品の寸法が第1表に示される。
The present invention relates to a novel and improved bore assembly for a conduction cooled gas ion laser. The unique bore assembly of the present invention uses a mechanically constrained design to create a heat transfer path for cooling. Thereby, the material forming the radiation enclosing element of the bore can be selected without considering brazability. In particular, this approach makes practical the use of graphite (which is difficult to braze) as a bore material in conduction-cooled lasers. Additionally, other bore materials can be selected based on factors other than brazing, such as sputter resistance, increasing laser tube design flexibility. The invention also relates to improvements in gas ion lasers. Specifically, U.S. Pat.
It is suitable for use in conduction cooled lasers of the type disclosed in Nos. 4,378,600 and 4,376,328. The type of gas ion laser disclosed in the latter patent includes a relatively thin-walled electrically insulating envelope formed from a ceramic material such as alumina.
Apparatus is provided for exciting gas within the tube to produce radiation within the central bore and for conducting heat away from the bore. In the structure disclosed in the aforementioned patent, the device for encapsulating radiation consists of a plurality of erosion-resistant, concentrically aligned tungsten disks. Each tungsten disk is brazed to a thermally conductive copper cup, which in turn is brazed to the inner wall of the ceramic barrel. During operation, heat from the radiation is transferred by conduction from the disk through the copper cup and through the wall of the ceramic tube to the cooling water flowing in the jacket around the ceramic tube. In that patent, tungsten is used as the bore material because it can be brazed to a copper cup and is relatively corrosion resistant. Bore erosion resistance is important in determining laser power and longevity. To produce a commercially viable product, the laser must be operational in the field for at least 1000 hours. The greatest limiting factor in operational life is the slow but continuous erosion of the bore defining elements.
During use, the bore material is exposed to continuous bombardment by heat and ions, the ions being sped up by the wall sheath potential to strike the bore wall. This erosion process erodes the bore wall and increases the bore diameter until it no longer provides the containment required for the laser process. Therefore, choosing a material with high erosion resistance for the bore can extend its life. Laser power is closely related to bore life and erosion resistance. In particular, what kind of excellent gas
Even in ion laser structures, increasing the current or power dramatically increases the erosion rate. Thus, increased power is usually accompanied by a corresponding decrease in life, so a bore material with greater erosion resistance would be advantageous. One of the major obstacles to the construction of bores with superior erosion resistance is the requirement that the bore material be capable of being easily brazed to a thermally conductive cup member. There are several materials available today that are more resistant to erosion than tungsten, but are not as easy to braze. Some materials are too brittle to withstand the thermally induced stresses associated with brazed joints. There are other bore materials that can be brazed, but these materials require brazing temperatures and part geometries that are not suitable for fabricating the rest of the laser tube.
It would be highly desirable to develop a bore design that allows bore material to be selected based on erosion resistance without consideration of its ability to braze to copper cups. SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a novel and improved graphite bore assembly for a conducting bell type ion laser. It is another object of the present invention to provide a novel and improved bore assembly that allows the use of a wide variety of materials as the radiation containment element. It is another object of the present invention to provide a novel and improved bore assembly that allows for the selection of materials forming the radiation containment element without consideration of braze characteristics. It is a further object of the present invention to provide a new and improved bore assembly that allows the selection of radiation containment elements from a group of highly erosion resistant materials. It is another object of the present invention to provide a new and improved bore assembly that facilitates testing of new bore materials. It is a further object of the present invention to provide a new and improved bore assembly that allows for longer life laser designs. It is another object of the present invention to provide a new and improved bore assembly that allows higher power laser designs. It is another object of the present invention to provide a new and improved conduction cooled ion laser with simplified internal components. In accordance with these and other objects, the present invention provides a new and improved bore assembly suitable for use in gas ion lasers. Gas ion lasers can be of the type having a thin-walled cylindrical tube made of electrically insulating material. A plurality of thermally conductive members are provided, each having a central opening in the tube. The outer periphery of each heat transfer member is attached to the inner surface of a cylindrical tube providing a heat transfer path. The bore assembly is defined by a radiation containment element or insert having a central channel formed therein. An outer support member or sleeve is provided that is disposed about at least a portion of the radiation containment element. The outer support member is coupled to the thermally conductive member in such a manner that the radiation containment element is mechanically constrained. During assembly, the bore assembly conforms to U.S. Patent No. 4,376,328
attached to the mandrel in the manner described in the issue. During fabrication, the mandrel is tensioned to concentrically align the center channel of each insert. The sleeve can then be brazed to the associated thermally conductive member in a manner that mechanically constrains the insert. The thermally conductive member can be brazed to the wall of the laser tube in the same step. There are numerous embodiments for mechanically restraining a radiation containment element, as discussed in more detail below.
A tight fitting arrangement is established between the radiation containment element and the outer sleeve to define a path for conductive transfer of heat generated upon radiation to the wall of the tube. In this application, the term "mechanical restraint" defines a shape in which the heat transfer path is strengthened during operation of the laser. Specifically, the heat generated by radiation to the bore axis during operation flows radially away from this axis, so that
The bore insert is heated to a higher temperature than the outer sleeve and expands radially relative to the sleeve. In a mechanically constrained configuration, this expansion creates a tighter contact between the parts so that they remain bonded and define an excellent heat transfer path while undergoing thermal cycling during laser operation. The thermal contact area between the bore element and the outer sleeve can be considered to consist of microscopic peaks and valleys that locally project with respect to each other. Since differential radial expansion increases the number of peaks into valleys across the interface, the surface area in intimate contact increases with temperature difference. It is only necessary to ensure an initial tight fit at room temperature, as the heat generated during operation enhances heat transfer. The tightness of the fit required is determined by the rate of differential expansion between the insert and sleeve material, the human heat per bore assembly that must be spread, and the maximum allowable operating temperature of the insert. A fit is formed to mechanically constrain the insert within the sleeve and force an increase in thermal contact area with differential expansion. The use of radial expansion to improve heat transfer paths for conductive cooling of the laser bore has been used in the prior art. For example, U.S. Pat. No. 3,501,714 to Myers discloses a disc-shaped thermally conductive member mounted within a thin-walled outer ceramic tube. In one embodiment, an undercut is provided near the periphery of the disc to provide a spring action, allowing the slightly oversized disc to be forced into the ceramic tube. . In another embodiment, a complete disc is loosely fitted into the tube. During operation of the tube, these discs expand radially to enhance thermal contact with the ceramic wall. The required optical straightness of the bore is achieved by ensuring the circularity and straightness of the inner diameter of the ceramic tube, the outer diameter of the disk, and the concentricity of the hole in the disk to precise tolerances. Additionally, the surface finish of these radially contacting parts is precisely defined. Although these tolerances were achievable, lasers have never been built over the length of water-cooled ion lasers commercially available today. The present invention achieves this by dividing the encapsulation structure to define relatively small parts and simple shapes.
Overcoming the shortcomings of Myers' patent. It is obvious that it is much easier to provide parts with tight tolerances in short segments than parts with long tube lengths. The present invention has the additional advantage that the construction provides a simple device for concentrically aligning the bore members. More specifically, prior to permanently attaching the bore assembly to the thermally conductive member, the bore assembly can be mounted on a mandrel that is tensioned to bring all of the channels of the bore into concentric alignment. . The aforementioned Myers patent describes a thermally conductive member (Myer's disc) with a lower coefficient of thermal expansion than the outer ceramic wall.
It has been explained that it is desirable to select materials such as Generally, ceramics have a low coefficient of expansion and are strong in compression but weak in tension and can therefore be easily damaged by expansion of the inner metal (except for some low coefficient of expansion metals). On the contrary, in the present invention,
While the outer sleeve is metal, the bore-defining insert can be made from a low expansion refractory material. A brittle bore material on the inside, and a flexible,
By placing a high expansion material on the outside (sleeve), the present invention overcomes the limitations of the Myer patent. Various geometries and examples for implementing the invention are described below. However, by using a tight-fitting mechanical encapsulation, the present invention allows the material forming the radiation encapsulation element to be selected without regard to its brazing properties. In the preferred embodiment, graphite is used as the bore defining element. In the prior art, an electrically conductive elongated bore element having a thickness approximately equal to or greater than the bore diameter was used.
More accelerated erosion is observed at the anode-facing end of the element than at the cathode-facing end. For example, the thickness is 5mm and the diameter
A tungsten bore element with a naturally straight bore hole of 2.8 mm is used with krypton lasers.
It was operated for 400 hours at a current density of 650 Amp/cm 2 .
In this element, a conical hole opens towards the anode,
Approximately 50 mm3 of tungsten was removed by erosion.
Another Krypton laser uses a thin, 0.5 mm thick bore element (such as that found in the Hobart instrument) for more than twice the operating time.
This is in contrast to the approximately one-tenth of the tungsten volume removed from the tungsten. This accelerated erosion rate is significantly reduced by conventional techniques (e.g.
KGHerngvist and JRFendley, Jr. IEEE
Journal of Quantum Eletronics, VOl.QE−3,
February 1967 issue, p.66-72 “Construction of long
The difference between the plasma potential at the center bore and the potential at the anode end of the bore-defining element is compared, as explained in ``Life Argon Lasers Long-Life Argon Laser Configuration'', especially Figure 4). This effect of rapid erosion of long conductive bore elements was an important factor that limited the practical use of early ion laser bore designs, particularly those disclosed in EIGordon and EF Labuda, US Pat. No. 3,531,734. In such tube designs, eroded and blown material can migrate to other locations within the tube, creating electrical shorts between segments. Heat input can cause tube failure (damage of the ceramic wall). However, the erosion resistance of graphite is so great that even long bore elements made of this material do not show significant erosion ( GK Wehner
Physical Review 102, P.690, 1956, Figure 7 “Controlled Sputtering of Metals by Low−
Energy Hg Ions, Control of Metal Erosion with Low-Energy Mercury Ions”, see also N. Laeireid and G.K.
Wehner, J.Appl.Phys.32 (March 1961 issue)
pp.365−365, “Sputtering Yields of metals
for Ar + andNe + Ion With Energies
"Erosive breakdown of metals by Ar + and Ne + ions at energies from 50 to 600 eV, 50 to 600 electron volts", RV Stuart and GK Wehner, J. Appl.
Phys.33 (July 1962 issue) pp.2345-2352,
“Sputtering Yields at Very Low Bombarding
lon Energies" and its citations).
As discussed below, internal tube components can be simplified by using elongated graphite bore defining elements. Particularly in Hobart instruments, the radiant region (where the gas is hot and ionized) within the tube is replaced by the region with the gas return window (where cold, electrically neutral gas is desired for efficient gas return). A cylindrical ring-shaped gas shield is preferred to provide isolation from the gas. In the present invention, long bore elements with small spacing between each other serve to provide a heat sink for the hot plasma so that the plasma heats the cooling gas radially outward of the assembly. prevents you from doing so. The long bore elements also prevent ions from reaching the region of the gas return passage holes by forcing ion recombination on closely spaced surfaces of adjacent bore assemblies. This effect results in controlled gas pumping from one end of the tube to the other. Thus, the long, highly erosion-resistant bore assembly functions in a manner comparable to the gas shield in the Hobart device. In fact, it is possible to operate the tube without a separate circular statistics gas shield. The increased surface area of the copper cup obtained by removing the ring-shaped gas shield can be used to increase the conductivity of the gas return passage (by adding a window), or the same gas return can be achieved with a smaller diameter tube. It is also possible to provide conductivity for the passageway. A typical ion laser uses an axial magnetic field. Then,
If the outer diameter of the tube is small, the magnet will be smaller, lighter, and less expensive. One of the additional advantages of the present invention is that it allows for rapid evaluation of various materials for radiation encapsulation elements. Much work has been done, especially by GK Wehner, supra, to test various materials for erosion resistance. However, his material erosion test
There are useful ion-laser transitions in all of these gases, although more extensive erosion has been done with argon ions than with krypton or xenon ions. Erosion rates are highly dependent on both ions and materials and must be measured separately for all possible combinations. Evaluation of new materials in lasers requires time and expense to optimize brazing techniques and other parameters necessary to test the new material. Many new materials have been developed in recent years that have not been thoroughly tested. For example, high-density, high-purity aluminum nitride with properties close to theoretical values was first developed by Heraeus GmbH (West Germany) in 1983.
It is now available from Hanau City. Many legacy materials have been tested for erosion resistance using ion bombardment test levels that are less than 1% of what the bore material would experience over the life of a typical ion laser. Further testing is required under more severe conditions. The present invention provides a simple apparatus for evaluating such new materials or poorly tested old materials for suitability as bore elements. As will be appreciated, since the present invention does not require the material to be brazed to the thermally conductive element, it is only necessary to mold the untested material as the inner radiation containment element of the bore assembly. Further objects and advantages of the present invention will become apparent from the detailed description given below with reference to the accompanying drawings. Referring to FIGS. 1, 2 and 12,
The elements that make up the new and improved bore assembly of the present invention are illustrated. The bore assembly 20 is particularly suitable for use with gas lasers, preferably gas ion lasers 10 of the type disclosed in US Pat. Nos. 4,378,600 and 4,376,328. The construction of such gas ion lasers is described in detail in the aforementioned patents, which are incorporated herein by reference, and will not be repeated here. Briefly, laser 10 includes a relatively thin walled ceramic tube 22, preferably molded from alumina. An anode 2 and a cathode 3 are provided at both ends of the tube to induce discharge. Mirrors 4, 5 are provided to define the optical cavity of the laser 10. A water jacket 6 surrounds the discharge tube. Water flowing into the jacket from inlet 7 absorbs conductive heat leaving the tube and exits through outlet 8. Window assemblies 9, 11 are also shown. The cathode assembly 3 has two lead wire connectors 1 connected to the power supply.
Including 2,13. The anode connections are not shown in FIG. The central part of the tube is provided with a device for enclosing gas radiation and conducting heat from the central bore to the outer surface of the tube, as shown in detail in FIG. The device for conducting heat is defined by a plurality of heat conducting members 24 which are generally cup-shaped. Preferably, member 24 is formed of copper. This is because copper has high thermal conductivity, is relatively malleable, and can be brazed. Each member 24 is provided with an edge portion 26 that is brazed to the inner surface of the ceramic tube 22. The assembly of thermally conductive member 24 within the ceramic tube is described in detail in the US special note.
Brazing may be accomplished by a variety of known methods, including active brazing techniques and vapor deposition techniques. For purposes of the present invention, it is important to understand that a thermal conduction path is defined between the thermally conductive member 24 and the tube. The radiant heat is then conducted along the member to the surface of the tube and is spread out. Ceramic
Heat dissipation from the tube can be accomplished by the use of air cooling or water cooling jackets. Each member 24 is provided with a central opening 28 .
Member 24 is mounted so that openings 24 are generally aligned. The member 24 is further provided with a plurality of gas return holes 29 . Gas return holes are provided to allow gas to recirculate within the tube wall during laser operation. It may also be desirable to provide a cylindrical ring-shaped gas shield to enhance this recirculation, as detailed in the Hobart patent. It is shown at the right end of FIG. 1 that one ring-shaped gas shielding plate 27 of the heat conducting member is coupled. Gas return passages can also be provided outside the ceramic tube, as is known to those skilled in the art. The invention is intended to include any of the forms described above. As mentioned above, a device for encapsulating radiation is defined by a new and improved bore assembly 20 according to the present invention. The bore assembly 20 of the present invention includes a radiation containment element or insert 30 formed from a highly erosion resistant material. A central channel 32 is formed in the radiation localization element. channel 32
The ends 34 of have outward flares to reduce the initial effects of erosion. In a first embodiment of the invention illustrated in FIGS. 1-3, the outer surface of the radiation containment element has a beveled configuration. The outer surface is preferably smooth and frustoconical. The diameter of the outer surface of the element 30 is oriented such that it tapers away from the thermally conductive member 24 with which the element is associated. According to the invention, the bore assembly includes the radiation containment element 3.
It also includes an outer support member or sleeve 40 adapted to be disposed about at least a portion of the 0. The outer support member 40 is made from a material selected to be suitable for brazing to the thermally conductive member. The material of the outer support member need not be highly erosion resistant, but should be a good heat conductor. If there are no other requirements, the outer support member 40
It is desirable to form them from the same material as the heat-conducting member 24 to which they are to be brazed, thereby eliminating differences in expansion coefficients between these elements. As described below, outer support member 40 cooperates with thermally conductive member 24 to mechanically constrain the radiation containment element. In the illustrated embodiment, outer support member 40 has a generally cylindrical configuration. Inner surface 4 of support member 40
2 is provided with a beveled configuration that complements the beveled configuration of the outer surface of the radiation containment element 30. As discussed below, this complementary configuration is intended to facilitate excellent thermal contact and a strong mechanical fit between the parts. The remaining element shown in FIG. 2 is the braze ring 50, the function of which will be described in connection with the assembly of the present invention. The brazing ring 50 is
It can be formed from a material such as Nicusil-3. FIG. 3 illustrates the assembly method of the present invention. A similar method of assembling a tube is disclosed in the aforementioned U.S. Pat. No. 4,376,328.
This book does not go into details except for the different assembly methods. During tube assembly, the mandrel 60 is first passed through the center of the outer cylinder. Next, the conductive member 24 is inserted into the opening 2
Insert so that the center of No. 8 matches the center of the mandrel. During the initial assembly stage, the tube is in a horizontal orientation as shown in FIG. As described in the patent, the edge 26 of the cup is expanded and forced into contact with the wall of the tube.
A Ticusil braze ring (not shown) is positioned between the cup edge and the inner barrel wall. Alternatively, if the interior walls of the cup and ceramic are precision cut, it is possible for the cup to expand and contact the ceramic during the brazing step. In the latter case, it may be desirable to use a metal deposition step before the brazing step. According to the method of the invention, the radiation containment element 30, braze ring 50 and outer support member 40 are then slid over the mandrel and inserted into the barrel. As discussed below, in the preferred embodiment, the outer support member 4 is
A bore assembly 20 consisting of a radiation containment element 30 and a radiation containment element 30 is preassembled. As best seen in FIG. 2, a circumferential groove 52 may also be provided in the outer support member 40 to aid in positioning the braze ring 50 during assembly. The steps of inserting thermally conductive elements 24, expanding, and attaching bore assembly elements are successively repeated until the entire laser bore is defined. If the cup and inner surface of the tube are precision cut, the cups can be stacked outside the tube with non-conductive spacers in between before being inserted into the tube. The number of elements and spacers used will depend on the particular design, length and output power of the laser in the configuration.
FIG. 3 illustrates only a single cup and bore assembly for clarity. However, it should be understood that all lasers use multiple assemblies. After all elements are installed in the tube, the laser tube is rotated to a vertical position as illustrated in FIG. Mandrel 60 is then tensioned to concentrically align the channels 32 of each radiation containment element to define the laser bore. Place the entire tube in the oven and heat it. The brazing cycle is determined by the brazing material used. Appropriate values for time, temperature, and gas conditions within the furnace are generally available from the brazing material manufacturer. When using Ticusil to braze the cup to the inner wall of the tube, a vacuum environment is used and a brazing temperature of 830-850°C is preferred.
Further information can be obtained from Ticusil's production company, WESGO. The heating melts the braze ring 50 to provide a braze joint 44 between the periphery of the support member 40 and the associated thermally conductive member 24. Attachment of the outer support member to the thermally conductive member at point 44 provides mechanical restraint of the radiation encapsulation element. In the same heating means, a heat conductive member 2
4 can also be brazed to the inner surface of the tube 22. The resulting assembly is shown in FIG. Desirably, outer sleeve 40 is formed from copper, which can be easily brazed to a thermally conductive member and provides a passageway with excellent thermal conductivity. In a preferred embodiment, radiation encapsulation element 30 is made of graphite. As mentioned above, graphite is a material with excellent corrosion resistance, but it is not particularly suitable for brazing. As can be seen, the present invention makes it possible to construct conduction cooled ion lasers with graphite segments that serve to encapsulate the radiation. The frusto-conical combined shape of the copper sleeve (outer support member) and insert (radiation encapsulation element) is
It is intended to provide a tight fit without the need to tighten component dimensional tolerances. This is accomplished by pre-assembling the sleeve 40 to the insert 30 to define the bore assembly 20. First the copper sleeve is annealed to obtain extensibility. The copper sleeve is annealed in a hydrogen atmosphere furnace at 960°C for 20 minutes. The sleeve is then pushed onto the insert 30 until the surface facing the thermally conductive member is flush. Because the compressive strength of the graphite insert is superior to the tensile strength of annealed copper, this press-fitting procedure increases the diameter of the sleeve. For example, insert a 0.30 inch (7.6 mm) thick, conical half-angle 2 inch insert with an original outer diameter of 0.500 inch (12.7 mm) on the axis.
(Fig. 1 D 3 ) into the sleeve (without applying pressure). When pressed flush into the sleeve, the outer diameter of the sleeve expanded to 0.510 inches (12.95 mm). Thus, the initial component tolerance of a few thousandths of an inch before press fit is absorbed, resulting in a surface finish of the post press fit part with interlocking surface contact comparable to approximately 32 microinches (0.8 microns) rms. It is desirable to match the cone angle of the assembled parts within the limits accommodated by the stretching of the copper. Cone angles within this intersection can be easily achieved by cutting both the sleeve and insert in the same lathe setup, or by using a combination forming tool to cut complementary cones. Since the coefficient of thermal expansion of the copper sleeve is greater than that of graphite, an alternative approach provides better mechanical and thermal contact during assembly.
Referring to FIG. 3, during the brazing step, the outer support member expands more than the radiation containment element. If the copper sleeve was not pressed down until it was flush with the surface of the graphite element during the press-fitting step, the sleeve will now drop downwardly and close to the thermally conductive member 24. Upon cooling, the sleeve contracts and compresses the graphite element, causing
Provides excellent thermal contact. Moreover, this shrinkage aids in the encapsulation of the radiation encapsulation element. The present invention can also be practiced when the relative coefficients of thermal expansion between the elements are reversed. In this case, slight separation may occur between the outer support member and the radiation encapsulation element upon cooling during the brazing cycle. As previously discussed, during operation of the laser, heat is generated in the central borehole, causing the radiation containment element to radially expand and reestablish intimate contact with the outer support member. In some situations, it may be desirable to braze the insert to the sleeve to improve encapsulation of the bore assembly and heat transfer path. In the past, it has been very difficult, if not impossible, to braze graphite to metal. However, in recent years, new brazing methods such as active metal brazing have been developed, making these brazes possible. (Kohl, New York, USA, 1967)
Reinholt Publishing Co. “Handbook of.
Materials and Techniques for Vacuum
382).
Ticusil. These active metal brazing fillers, unlike many conventional braze fillers, do not wet the surface and flow into the holes as often, creating a close contact between the filler metal and the parts being joined. The configuration of the bore assembly of the present invention provides a simple means of meeting this requirement.For example, in the press-fit assembly described above, intimate contact is established between the graphite element and the sleeve. This procedure has proven sufficient to achieve the close contact required for these types of active brazing. In one specimen, a copper sleeve and a copper sleeve having the dimensions shown in Table 1 below are A piece of conically shaped material into which the graphite insert fits.
Used with Ticusil foil. The foil was inserted between the parts before the press-fit stage. During the press-in step, the copper sleeve was expanded over the graphite element and surrounding Ticusil foil until the flat sides of both the copper and graphite elements were flush (as described above). The graphite elements were supported in the brazing furnace on columns of narrower diameter to produce the above-mentioned "sinking" effect in the subsequent brazing step. The assembly was oriented vertically and heated to brazing temperature in a vacuum oven using a cycle suitable for Ticusil braze. This test piece was then cut and the brazed joint was found to be mechanically strong. At these part dimensions and brazing temperatures, there would have been a radial spacing of 2/1000ths of an inch (50μ) between the copper and graphite elements if not for the "settling" effect of the beveled geometry. After the braze cycle, the relative position is measured and the copper strip is lowered until the surface of the graphite element is 0.044 inch (1.118 mm) below the edge of the copper (initially in a flat position). I found out. If the sedimentation effect absorbed all of the 2/1000 inch (50.8μ) expansion,
The sink distance would have been 0.058 inches (1.473 mm). This was because the copper piece was initially expanded and strained during the press-fitting stage, and the initial differential expansion due to the temperature increase was necessary to remove the existing elastic deformation before sagging (and "settling") could occur. It is reasonable that there is a small difference in the sedimentation distance in time. Thus, this sloped geometry contributed to the success of this brazing test. In other geometries requiring brazing to graphite inserts, molybdenum sleeves (or copper-plated molybdenum sleeves) can also be used to better match the coefficient of thermal expansion. A number of laser tubes were constructed according to the embodiments shown in FIGS. 1-3 and 12.
The dimensions of the main bore parts are shown in Table 1.

【表】【table】

【表】 この時、ほぼこれらの寸法を用いるグラフアイ
ト・インサート付きの10本のチユーブが作られ、
そのうち8本が作動された。クリプトン・ガスを
用い設計電流65Aにて5本のチユーブが寿命試験
されて、5000時間以上の作動が記録された。1本
のチユーブは2600時間運転された。これらのチユ
ーブは外部のガス戻り通路を用いて作動された。 これらの5本のチユーブのうち1本は65A、
527Vにて、その全部の代表的な出力である、最
低位共振モードの7W「オール・ラインズ・レツ
ド」(647nm、および676nm同時)作動の出力を
発生した。このチユーブは520時間の運転後に切
断された。インサートの直径D1の変化をボアの
長手にそう位置の関数として記録された。チユー
ブの長さを構成する120個のボア・セグメントの
うち、中央の92個のグラフアイト・インサートが
インサートの陰極端にて1/1000〜2/1000インチ
(25〜50μ)、また陽極端にて3/1000〜4/1000イン
チ(76〜102μ)、のボア孔の拡大を示した。冷間
(伝導冷却)グラフアイト・ボアにおけるこの無
視し得る浸食の結果は素子間間隔Sがボア計D1
の2.8倍である場合に得られる。これはCorbonea
の1977年1月4日付米国特許第4001720号に開示
された結果、すなわち熱間(放射冷却)グラフア
イト素子でS/D1<3.0の場合に飛散浸食が無視
し得る程であつた結果と符合する。 この中央グルーブの両側の5個のボア素子の陽
極端はかどの縁が丸くなつて、より大きな拡がり
[直径が7〜9ミル(178〜229μ)拡大]を示し
た。両端の残りの9個の素子は僅かに傾斜したボ
ア輪郭を有する遷移領域として作られた。つま
り、9個の素子のグループを通して隣接するセグ
メントのボア径D1が段階的に増して、チユーブ
端の隣接する電極に向つて開く段付きの傾斜円錐
形ボア輪郭を画成した(第2表)。これらの領域
において、封入された中央にボアにおけるアーク
状の放射から電極におけるグロー(白熱)放射に
変化する。従来技術において説明されたように、
チユーブの長手にそつて安定な放射およびより均
一な熱付加を与えるために、この遷移領域を通じ
て傾斜付きボア輪郭が用いられる。(W.B.
Bridges、A.N.Chester、A.S.HaltstedおよびJ.
V.Parkerの「イオンレーザー・プラズマ」IEEE
会報59(1971)p.724、またはA.S.Halsted、W.B.
BrdgesおよびG.N.Mercerの「ガスイオン・レー
ザー研究」技報No.AFAL−TR−68−227Hughes
Research Labs、Malibu、Ca.、1968年7月、ま
たはA.S.Halstedの「ガスイオン・レーザーの研
究」技報No.AFAL−TR−67−89Hughes
Research Labs Malibu Ca.、1967年5月参照)。 前記の中央の92個のインサートの両側にある5
個づつのインサートの7〜9ミル(178〜229μ)
の余分な拡がりは遷移領域、殊に陰極遷移領域に
生ずる、より大きな浸食効果による。チユーブ電
圧対電流特性は平均ボア径にに左右され、この特
性が安定していることが望ましい。またチユーブ
内を自由に動きまわる飛散した材料の量(短絡の
原因となり得る)を最小にすることが望ましい。
飛散した材料はまたセグメントの陰極端に付着し
て、ボア径を減じレーザー・ビームに孔を生ずる
ことがある。これらの効果は高浸食領域における
インサートを予めその最終的な浸食された外形に
成形しておくことによつて減ずることができる。
陽極に向つて拡がる7 1/2゜の半項角を持つ円錐
形を有し、陽極端のかどをまるくしたフルート形
インサートが中央ボアに隣接する5個のデイスク
の最終チユーブ設計に用いられた。第13図にフ
ルート形インサート30aの断面図が示される。
モデルK3000クリプトン・レーザーの望ましい実
施例のボア・インサートの全数についてその孔径
D1が第2表に示される。 マンドリル径よりも大きいボア径を有する遷移
領域のインサートは前記の組立作業中にマンドリ
ルにより心出しされることができる。熱伝導部材
をセラミツク・チユーブに取付けるのに用いるろ
う材よりも高いろう付け温度を有するろう材を用
いて、これらのボア組立体をそれぞれカツプの中
心に予めろう付けすることもできる。つぎにこの
予めろう付けされた組立体を通常のやり方でセラ
ミツク・チユーブに組付ける。
[Table] At this time, 10 tubes with graphite inserts were made using approximately these dimensions,
Eight of them were activated. Five tubes were life tested using krypton gas at a design current of 65A and more than 5000 hours of operation was recorded. One tube was operated for 2600 hours. These tubes were operated using external gas return passages. One of these five tubes is 65A,
At 527V, it produced an output of 7W "all lines led" (simultaneous 647nm and 676nm) operation in the lowest resonant mode, which is a typical output for all of them. This tube was disconnected after 520 hours of operation. The variation in insert diameter D 1 was recorded as a function of position in the length of the bore. Of the 120 bore segments that make up the length of the tube, the central 92 graphite inserts are 1/1000 to 2/1000 inch (25 to 50μ) at the negative end of the insert and 25 to 50μ at the anode end. It showed an enlargement of the borehole of 3/1000 to 4/1000 inch (76 to 102μ). The result of this negligible erosion in cold (conduction cooled) graphite bores is that the interelement spacing S is
It is obtained when it is 2.8 times as large as . This is Corbonea
No. 4,001,720, dated January 4, 1977, which showed negligible spattering erosion for S/D 1 <3.0 in hot (radiatively cooled) graphite elements. Match. The anode ends of the five bore elements on either side of this central groove had rounded edges to exhibit a greater expansion (7-9 mil diameter enlargement). The remaining nine elements at each end were made as transition regions with slightly sloped bore profiles. That is, through the group of nine elements, the bore diameter D 1 of adjacent segments was increased stepwise to define a stepped inclined conical bore profile that opens toward the adjacent electrode at the tube end (Table 2). ). In these regions, there is a change from arc-like radiation in the enclosed central bore to glow radiation in the electrodes. As explained in the prior art,
A sloped bore profile is used through this transition region to provide stable radiation and more uniform heat addition along the length of the tube. (WB
Bridges, AN Chester, ASHaltsted and J.
V. Parker's "Ion Laser Plasma" IEEE
Bulletin 59 (1971) p.724, or ASHalsted, W.B.
Brdges and GNMercer's "Gas Ion Laser Research" Technical Report No. AFAL-TR-68-227Hughes
Research Labs, Malibu, Ca., July 1968, or ASHalsted "Research on Gas Ion Lasers" Technical Report No. AFAL-TR-67-89Hughes
Research Labs Malibu Ca., May 1967). 5 on either side of the central 92 inserts above.
7-9 mil (178-229μ) for individual inserts
The extra spread is due to greater erosional effects occurring in the transition region, especially the cathodic transition region. The tube voltage versus current characteristic depends on the average bore diameter, and it is desirable that this characteristic be stable. It is also desirable to minimize the amount of loose material that is free to move around within the tube (which can cause short circuits).
Spattered material can also adhere to the cathode end of the segment, reducing the bore diameter and creating a hole in the laser beam. These effects can be reduced by pre-shaping the insert in the highly eroded areas to its final eroded profile.
A flute-shaped insert with a conical shape with a 7 1/2° half-angle widening toward the anode and a rounded corner at the anode end was used in the final tube design of the five disks adjacent to the central bore. . A cross-sectional view of the fluted insert 30a is shown in FIG.
Bore size for all bore inserts of the preferred embodiment of the Model K3000 Krypton Laser
D 1 is shown in Table 2. Inserts in the transition region having a bore diameter larger than the mandrill diameter can be centered by the mandrill during said assembly operation. Each of these bore assemblies may be pre-brazed to the center of the cup using a brazing material having a higher brazing temperature than the brazing material used to attach the thermally conductive member to the ceramic tube. This pre-brazed assembly is then assembled into a ceramic tube in the conventional manner.

【表】 * これら2個のデイスクがボア中心線
を画成する。
実際には、遷移領域のグラフアイト・ボア組立
体をそれぞれの熱伝導部材に心出しするためにか
しめると都合がよいことが判つている。該組立体
を主ボア組立体のろう付けと同時に熱伝導部材に
ろう付けし得るように該組立体を位置決めるよう
に、このかしめ過程が機能する。この行き方は予
備ろう付け作業に使用される水素ふん囲気にグラ
フアイト・インサートを曝露することを避ける。 かしめ過程は第13図の断面図に用法が示され
ている円筒形たがね状縁を有する工具64を用い
て行われる。この工具をボア組立体にかぶせて銅
カツプに押し付けて、銅材料の縁66をスリーブ
40の円周方向切欠き52に押し込む。この縁6
6はあとのろう付け段階のためにボア組立体を定
位置に保持するように機能する。第13図には示
されないが、かしめの後でろう材リングをボア組
立体上にはめ込む。 遷移領域のボア組立体の他に主ボアに最も近い
2つの組立体もフルート形インサートを担持し、
またかしめられる(第2表に星印で示される)。
これら2つの組立体のインサートは主ボアと等し
い最小径を有し、セラミツク・チユーブの中央を
走るマンドレルのための中心線を画成する役を果
す。 チユーブ端における最大径のインサートは便宜
上予めろう付けすることのできる薄いタングステ
ン・デイスクによつて画成されることに注目すべ
きである。明らかに、第12図は本発明の異なる
例示であり、第2表に記す部品の正確な配置を図
解する組立図ではない。 第1図および第12図に図解されるように、円
筒リング・ガス遮蔽板またはシールド27を設け
ることもできる。5個の寿命試験されたK3000チ
ユーブでは、第12図に示すように陰極に最も近
いカツプを除く全ての熱伝導部材に、第1表に示
す寸法のシールドが用いられた。しかし前述のよ
うに、本発明により可能となつた長い、耐浸食性
の高い、冷間(伝導冷却)グラフアイト・ボア組
立体はガス遮蔽機能を有するので、隣接するイン
サートの〓間gを充分に狭くするならば、円筒リ
ング27を削除することができる。 シールド27を省いた、短いチユーブが追加製
作され、試験された。このチユーブのグラフアイ
ト・ボア組立体は第1図乃至第3図に示す截頭円
錐形傾斜付きの行き方を用いてカツプに取付けら
れた。その他、グラフアイト・インサートは、第
4図および第5図に示され、下記に説明される鼻
部76bに似た、スリーブを超えて(第1図右方
へ)延在する。「帽子」部または鼻部を有して隣
接するインサートの間の〓間を減少した。 このチユーブのボア径D1は0.100インチ(2.54
mm)、鼻部径は0.302インチ(7.67mm)、またイン
サートの厚さ(鼻部を含む)tは0.335インチ
(8.51mm)で〓間gは0.06インチ(1.254mm)、つま
りボア径の0.6倍となつた。隣接する面の〓間は
ボア径D1より小さいことが望ましい。そのうえ、
ボア組立体の露出面の環状部の幅[幅=1/2(D7
−D1)]はボア径D1と同じ位であつた。使用され
た熱伝導部材(シールド27なし)の寸法は第1
表に示す通りであつた。 このチユーブは外部ガス戻り通路なしで電流密
度690A/cm2にて500時間、アルゴン・ガスの中で
作動された。その出力性能(「オール・ラインズ」
青−緑鏡で42W)および他の作動特性は、薄いタ
ングステン・デイスクを用いるが、他は同じ構成
(カツプ、アルミナ・チユーブ、ボア径、遷移領
域、主ボア・セグメント数、およびチユーブ電流
は同じ)の他の5本のチユーブ(その出力は「オ
ール・ラインズ」青−緑で3.6〜4.2W)とほぼ同
じであつた。 放射線の封入すなわち遮蔽を決定するいま一つ
の方法は寿命試験されたチユーブの中の浸食付着
物を検べることである。前記のK3000チユーブの
グラフアイト素子における寸法変化は僅かである
とはいえ、放射線に接触するチユーブ内部部品の
薄膜または変色が長時間の作動後に生じた。寿命
試験したチユーブを切断して見た所、浸食付着物
はカツプの面からシールドの内面にそつて〓間の
厚さだけ延在することが判つた。シールドの内面
の残りの部分は変色が無く、浸食、従つて能動放
射領域はセグメント間の〓間に限定されることを
示した。この時、〓間gは1.2mm、すなわちボア
径D1の1/3であつた。 シールドなしのチユーブも浸食付着物の有無を
検査された。カツプの露出面にわたつて変色の薄
膜が見られ、カツプ面の縁に近付くにつれて半径
方向に薄くなり、消減した。 シールドなしチユーブの正常の性能および全て
のチユーブにおける浸食付着物による変色の観察
は、前記寸法の、狭い間隔の、長い伝導冷却式グ
ラフアイト・インサートにおいてシールドの機能
が果されることを示す。上記の両方の場合とも、
ボア組立体の露出面の環状部の幅は少なくともボ
ア径であり、隣接するボア組立体の面の間の〓間
はボア径よりも小さかつた。シールドとして有効
であるためには、主放射領域を逃れる高温ガスの
原子およびイオンがボア組立体の表面に衝突して
冷却される確率が高くなければならない。この確
率はボア組立体環状部の幅が増すにつれ、そして
特に隣接するボア組立体の〓間が減ずるにつれ
て、増す。上記の観察の結果、前記寸法はこの型
式のガスイオン・レーザーにおいて別個のシール
ド素子の必要を無くするのに充分であることが判
る。 このように誘導冷却式グラフアイト・インサー
トはイオン・レーザーのボア組立体の構成に数多
くの利点を与える。しかしこの材料の多孔性の故
に欠点もある。例えば、グラフアイトはイオン・
レーザーのガスに包まれる全ての内部部品に通常
必要な清掃を完全に行うことが困難である。 しかし本発明で使用されるグラフアイトの体積
は比較的少量であるから、長時間にわたつて真空
中でガス抜きされた純粋グレードのグラフアイト
の使用が実際的となる。前記のチユーブにおい
て、使用されたグラフアイトは米国ペンシルバニ
ヤ州セントメリーズ市Pure Carbon Co.、Inc.
の、灰分(不純物)10ppm未満に規定されたグレ
ードDS−13であつた。もつと高純度のものが得
られる熱分解グラフアイトを用いることも可能で
あろう。真空室内の圧力が1×10-7torrの基本圧
力まで降下することを要求された真空炉の中で
1200℃にて最少6時間、グラフアイトが脱ガスさ
れた。真空室には後でアルゴンが充填されて、チ
ユーブの組立て時点までグラフアイト・インサー
トの環境空気への露出ができるだけ制限された。 イオン・レーザー・ボアに用いるグラフアイト
の品質管理手段として、材料のバツチの不純物含
有量を、溶離試験により測定することが有益であ
ることが知られている。この試験は既知重量のグ
ラフアイト試料を、酸素ふん囲気を有する温度プ
ログラムされた炉の中に入れて行う。揮発、熱分
解および燃焼から発生したガスを定温触媒炉に通
して、2酸化炭素に完全に変換させる。この2酸
化炭素の濃度を炉温度に対してプロツトする。純
粋グラフアイトは温度と共に既知の濃度増加を示
し、600℃をこえると急激な増加を示す。グラフ
アイトを汚染している有機物質(他の手段では検
知が困難)はより低い温度にて放出され、プロツ
ト曲線、すなわち「サーモグラフ」上で純粋グラ
フアイトの基線より上方へのずれを生ずる。これ
らのずれの下方の面積から全体の有機性汚染物の
レベルが数ppmの精度で測定されることができ
る。グラフアイト試料についてのこの型式の測定
は我々のために米国カリホルニヤ州リツチモンド
市N.M.Research Inc.が行つた。 グラフアイトにかかわるいま一つの潜在的問題
はチユーブ内部の他の汚汚染物との化学反応であ
る。例えば、チユーブ部品から全ての水蒸気を除
去することは困難である。水(および放射線中で
水が生ずる酸素)は700℃を超える温度にてグラ
フアイトと反応して1酸化炭素を発生する(前記
Kohl第4章を参照)。これはチユーブの高温部品
上で熱解離してすすの被覆およびより多くの自由
酸素を発生してこのサイクルを繰返す。この点に
おいて、伝導冷却グラフアイトを用いる本発明
は、使用されるグラフアイトが反応温度よりも低
く保たれるので、初期の輻射冷却グラフアイト・
レーザーに優る利点を有する。 グラフアイトの多孔性も、レーザー・チユーブ
がオン・オフ・サイクルを繰返す時にガスが材料
に吸収されまたは吐き出されるために、レーザ
ー・チユーブ内のガス圧力の変化を生ずる。よつ
てグラフアイトを用いる場合、グラフアイト容積
に対して全体のガス容積を増加させ、それにより
ガス圧力のこの変化を減少させるために、外部の
バラスト・タンクをチユーブに付加することが望
ましいと判明した。その上、時として起こるこど
であるが長時間にわたつてチユーブを使用しない
で(すなわち放射運転しないで)グラフアイト・
インサートからガスが放出される場合には、チユ
ーブ内の圧力を定期的に減ずるために、シーブ・
ポンプ(Sive pump)を用いることができる。 適当なバラスト・タンクおよびシーブ・ポンプ
の例としては、本発明と同じ譲受人に譲渡され、
参考文献として本明細書に取入れられる米国特許
出願の「イオン・レーザー用小型極低温ポンプの
方法および装置」がある。 つぎに、第4図および第5図を参照して、本発
明を実施するための代替実施例を説明する。代替
実施例の各々において、等しい部品を参照するの
に等しい番号が用いられる。特に第4図を参照す
るに、放射封入素子70および外側支持部材72
が図解される。放射封入素子70はスリーブ72
の内径D6に組合うように設計された内径D5を有
する中央領域73を含む。直径の寸法は、ボア構
造20aの組立て中に僅かなしまりばめまたはす
べりばめが生ずるように配される。 スリーブ72にはインサート70を囲むための
環形リムまたはシエルフ(棚)74が設けられ
る。本実施例において、スリーブ72の長さL1
[シエルフ74から反対端まで測つた]はインサ
ート70の中央領域73の長さL2より長い。こ
のため、スリーブ72の自由端を予備組立て中に
かしめて、環形リツプ75を画成させることがで
きる。中央領域73の面73aがシエルフ74に
衝接するまで、インサート70をスリーブ74の
中に挿入する。つぎにスリーブ72の端を中央領
域の面73bに衝接するように半径方向内方へか
しめる。 ついで、この予備組立てられたボア構造20a
を前記のようにチユーブの中に取付ける。ついで
マンドレルに張力をかけて、外側支持部材72を
熱伝導部材24にろう付けする。レーザーの作動
中、インサート70が半径方向外方にスリーブ7
2に対して膨張する時、秀れた伝熱路が画成され
る。 第4図および第5図に図解されるように、イン
サート70の対向端76a,76bは中央領域7
3を超えて軸方向に突き出た、細くされた直径
D7をもつ形態を有する。両端76はシエルフ7
4およびリツプ75を超えて軸方向に突き出し
て、隣接のボア組立体に向つて延在する鼻(スナ
ウト)を画成するように寸法が決められる。この
行き方は隣接するインサートの間の〓間g2を容易
に調整し得るようにする。上記のようにインサー
ト間の〓間の関係寸法を調整することにより、別
個のシールド素子の必要性を無くしてチユーブの
内部部品を単純化することができる。インサート
の対向端76がスリーブを軸方向に超えて突き出
て鼻を画成する、この型式の幾何形状は本書に図
解される実施例の何れにも使用することができ
る。 本実施例はまたインサート70が予備組立て段
階でスリーブの中に完全に捕捉され包囲される場
合を図解する。そのような予備組立て中の捕捉
は、かしめだけでなくリムへのろう付け、または
リムへのねじ付けによつても行うことができる。 つぎに第6図および第7図を参照して、本発明
の第3の実施例を説明する。本実施例において、
ボア組立体20bはブローチ技法により製作され
る。第6図に見られるように、外側支持部材80
の内径D8は放射封入素子82の外径D9より僅か
に小さくされる。望ましくは、組立て中にインサ
ートの初期整合を助けるために外側支持部材80
の内周縁にそつて傾斜領域84が設けられる。 組立段階中に、インサート82は矢印Bの方向
に外側支持部材80の中に圧入される。この挿入
作用は挿入されるに従つて支持部材の内径を実際
に拡大し、それによりこの直径をインサート82
の外径と緊密にはまり合うサイズにする。その
上、外側支持部材からの材料は挿入方向に軸方向
に、また半径方向内方に強制移動されて、第7図
の個所86に示すように環形リングを画成する。
環形リングはインサートの外径よりも小さな内径
を有しているので、インサートを捕捉するように
機能して、機械的封入を助ける。ボア構造20b
は前記のように組立てられろう付けされる。 第6図および第7図に示す構造は、放射封入素
子82に選ばれた材料が外側支持部材80に選ば
れた材料よりも著しく硬い場合に特に適してい
る。この場合、インサートはブローチ工程中に変
形することはなくて、むしろ外側支持部材の内面
は剥がされて成形し直され、第7図に図解される
ように環形リングを画成する。 このブローチ技法と共に使用されるのに適した
ボア材料の一例は炭化シリコンである。炭化シリ
コンは硬くて脆く、ろう付けが困難である。また
耐浸食性に秀れている。本実施例に従つて炭化シ
リコンを有する1個のチユーブが製作された。 第8図および第9図を参照して、本発明の第4
の実施例を説明する。第6図および第7図に示す
第3の実施例とは異なり、この第4の実施例はイ
ンサートがしまりばめによる組立てに耐えられな
い材料からできている場合に使用されることがで
きる。この場合、放射封入素子90の外径D10
外側支持部材92の内径D11に緊密に適合するよ
うに切削されるであろう。望ましくは、インサー
トを機械的に封入するために環状段付部94が外
側支持部材に設けられる。段付部の直径D12はイ
ンサート90の直径D10より小さい。 組立て中に、放射封入素子90は外側支持部材
の中にはめこまれる。ボア構造20cはろう付け
段階中に張力をかけられるマンドレルの上に取付
けられる。インサートの機械的封入を完成するた
めに、ろう付け段階が前記のように実施される。
レーザーの作動中、放射封入素子は半径方向に膨
張して外側支持部材の内面との伝熱接触に入る。
緊密なはめ合を得るように部品を注意深く切削す
ることによつて、適正な熱伝達が達成されること
ができる。 つぎに、第10図および第11図を参照する
に、本発明の第5の実施例が図解される。本実施
例において、放射封入素子110の外面にねじ部
112が設けられる。同様に、外側支持部材11
4の内面には補合するねじ形態116が設けられ
る。最初の組立段階中に、放射封入素子が外側支
持部材114にねじ込まれてボア構造20bを画
成する。このねじ係合は本発明に必要な封じ込め
を与える。つぎにボア組立体20dをマンドレル
上に取付けて、それまでの実施例と同様なやり方
でろう付けすることができる。組立てられた形態
が第11図に示される。 明らかなように、本発明のボア組立体は放射封
入素子を形成する材料をその材料のろう付け特性
のいかんにかかわらず選択することを可能にす
る。この配備によつて、放射封入素子の選択を耐
浸食性、導電性、伝熱性のような他の要因に基づ
いて行うことができる。 前記のように、この融通性は多くの利点を生
む。簡単にいえば、より耐浸食性の高い材料を用
いることによつて、より高い電力出力にてレーザ
ーを作動することができ、寿命も長くなる。本発
明はまた浸食が少ないので長さがより長い放射封
入素子を用いることを可能にする。ボア・セグメ
ントの長さを増す時、レーザーの内部部品を簡単
化することか可能である。例えば、ガス戻り通路
を遮蔽するようにボア組立体の寸法を選んで、そ
れによるTobart特許のガス・シールドの機能を
果させることができる。 最後に、本発明の系を用いれば、レーザー系の
ボアにおける種々の材料を容易に評価することが
できる。より具体的には、新しい材料を外側支持
部材の中にはまり合うように成形して前記のよう
に組立てることが簡単である。この配備により、
新材料または試験の不充分な旧材料を、不当な実
験または費用によらずに手早く試験することがで
きる。Wehnerの理論(前記論文参照)を基にし
て潜在的に適確なボア材を選択することができ
る。これらの理論は飛散浸食率を決定する要因と
して、浸食衝撃における運動量移動、昇華熱、お
よび標的材料の音速の重要性を強調する。これら
の理論を基にすると、潜在的に適確なボア材に
は、炭化ハフニウム、炭化チタン、炭化シリコン
およびハフニウムが含まれる。この行き方は窒化
アルミニウムのような新に入手し得る材料の試験
をも可能にする。 結論として、イオン・レーザーのチユーブの中
に使用される新しい改良型ボア組立体が与えられ
た。このボア組立体は中央開口部を有する熱伝導
部材に取付け自在である。望ましくは、熱伝導部
材の周囲はチユーブの内面にろう付けされる。本
発明のボア組立体は中央ボアを有する、耐浸食性
の高い放射封入素子を含む。放射封入素子の少な
くとも一部の回りに配設され、放射封入素子を機
械的に拘束する仕方で熱伝導部材にろう付けされ
る外側支持部材が設けられる。放射封入素子のチ
ヤンネルが同心状に整合するように外側支持部材
が取付けられる。作動中、機械的に拘束された放
射封入素子は加熱され、熱平衡に達する迄、半径
方向に外側支持部材に対して膨張し、それによ
り、レーザーを冷却するための熱伝導路が画成さ
れる。 望ましい実施例を参照しつつ本発明を記載した
けれども、特許請求の範囲に明確にされる本発明
の範囲および精神を逸脱することなく、他の変更
および変形が当業者により為され得ることは明ら
かである。
[Table] * These two disks define the bore centerline.
In practice, it has been found advantageous to swage the transition region graphite bore assemblies to center them on their respective thermally conductive members. This staking process serves to position the assembly so that it can be brazed to the thermally conductive member at the same time as the main bore assembly is brazed. This approach avoids exposing the graphite insert to the hydrogen atmosphere used in pre-brazing operations. The crimping process is carried out using a cylindrical chisel-shaped tool 64 whose use is shown in cross-section in FIG. The tool is placed over the bore assembly and pressed against the copper cup, forcing the edge 66 of the copper material into the circumferential notch 52 of the sleeve 40. This edge 6
6 serves to hold the bore assembly in place for subsequent brazing steps. Although not shown in FIG. 13, a braze ring is fitted over the bore assembly after crimping. In addition to the transition region bore assembly, the two assemblies closest to the main bore also carry fluted inserts;
It is also caulked (indicated by an asterisk in Table 2).
The inserts of these two assemblies have a minimum diameter equal to the main bore and serve to define the centerline for the mandrel running down the center of the ceramic tube. It should be noted that the largest diameter insert at the end of the tube is defined by a thin tungsten disk, which may be conveniently pre-brazed. Obviously, FIG. 12 is a different illustration of the invention and is not an assembled view illustrating the exact placement of the parts listed in Table 2. A cylindrical ring gas shield or shield 27 may also be provided, as illustrated in FIGS. 1 and 12. In the five life-tested K3000 tubes, shields with the dimensions shown in Table 1 were used on all thermally conductive members except the cup closest to the cathode, as shown in Figure 12. However, as previously mentioned, the long, highly erosion-resistant, cold (conduction cooled) graphite bore assembly made possible by the present invention provides a gas shielding feature that allows for sufficient spacing between adjacent inserts. If the width is made narrower, the cylindrical ring 27 can be omitted. An additional short tube was constructed and tested, omitting the shield 27. The graphite bore assembly of this tube was attached to the cup using the frusto-conical beveled approach shown in FIGS. 1-3. Additionally, a graphite insert extends beyond the sleeve (to the right in FIG. 1), similar to the nose 76b shown in FIGS. 4 and 5 and described below. It has a "cap" section or nose section to reduce the spacing between adjacent inserts. The bore diameter D 1 of this tube is 0.100 inch (2.54
mm), the nose diameter is 0.302 inches (7.67 mm), and the insert thickness (including the nose) t is 0.335 inches (8.51 mm), and the distance g is 0.06 inches (1.254 mm), or 0.6 of the bore diameter. It has doubled. It is desirable that the distance between adjacent surfaces is smaller than the bore diameter D1 . Moreover,
Width of the annulus on the exposed surface of the bore assembly [width = 1/2 (D 7
−D 1 )] was about the same as the bore diameter D 1 . The dimensions of the heat conductive member used (without shield 27) are as follows:
It was as shown in the table. The tube was operated in argon gas for 500 hours at a current density of 690 A/cm 2 without an external gas return path. Its output performance (“All Lines”)
42W with a blue-green mirror) and other operating characteristics using a thin tungsten disk but otherwise the same configuration (cup, alumina tube, bore diameter, transition region, number of main bore segments, and tube current are the same). ) and the other five tubes (whose output was 3.6 to 4.2 W for "All Lines" blue-green). Another method of determining radiation containment or shielding is to examine eroded deposits in life-tested tubes. Although the dimensional changes in the graphite elements of the K3000 tubes described above were slight, thinning or discoloration of the internal parts of the tubes in contact with the radiation occurred after prolonged operation. When life-tested tubes were cut and viewed, the erosive deposits were found to extend from the face of the cup to the inner surface of the shield a distance between 1 and 2. The remainder of the inner surface of the shield was free of discoloration, indicating that the erosion and therefore the active radiation area was confined to the spaces between the segments. At this time, the distance g was 1.2 mm, that is, 1/3 of the bore diameter D1 . Unshielded tubes were also inspected for erosion deposits. A thin film of discoloration was seen over the exposed surface of the cup, becoming thinner and disappearing radially toward the edge of the cup surface. The normal performance of the unshielded tubes and the observation of discoloration due to erosive deposits in all tubes indicates that the shielding function is performed in a closely spaced, long conduction cooled graphite insert of the dimensions described above. In both cases above,
The width of the annular portion of the exposed surface of the bore assembly was at least the diameter of the bore, and the distance between adjacent surfaces of the bore assembly was less than the diameter of the bore. To be effective as a shield, hot gas atoms and ions escaping the main radiation region must have a high probability of striking the surface of the bore assembly and being cooled. This probability increases as the width of the bore assembly annulus increases and especially as the distance between adjacent bore assemblies decreases. As a result of the above observations, it can be seen that the above dimensions are sufficient to eliminate the need for a separate shielding element in this type of gas ion laser. Induction-cooled graphite inserts thus offer numerous advantages in the construction of ion laser bore assemblies. However, there are drawbacks due to the porosity of this material. For example, graphite is an ion
It is difficult to thoroughly clean all the internal parts that are surrounded by the laser gas, which is normally required. However, the relatively small volume of graphite used in the present invention makes it practical to use pure grade graphite that has been degassed in vacuum for an extended period of time. In the above tube, the graphite used was manufactured by Pure Carbon Co., Inc., St. Mary's, Pennsylvania, USA.
The grade was DS-13, which specified that the ash content (impurities) was less than 10 ppm. It would also be possible to use pyrolytic graphite, which can be obtained with high purity. In a vacuum furnace where the pressure within the vacuum chamber is required to drop to a base pressure of 1×10 -7 torr.
The graphite was degassed at 1200° C. for a minimum of 6 hours. The vacuum chamber was later filled with argon to minimize exposure of the graphite insert to ambient air until the time of tube assembly. As a quality control measure for graphite used in ion laser bores, it is known to be useful to determine the impurity content of batches of material by elution testing. This test is performed by placing a graphite sample of known weight in a temperature programmed furnace with an oxygen atmosphere. The gases generated from volatilization, pyrolysis and combustion are passed through a constant temperature catalytic furnace for complete conversion to carbon dioxide. The concentration of carbon dioxide is plotted against furnace temperature. Pure graphite shows a known concentration increase with temperature, with a sharp increase above 600°C. Organic substances contaminating the graphite (difficult to detect by other means) are released at lower temperatures, causing an upward shift on the plot curve, or "thermograph", above the baseline for pure graphite. From the area under these deviations, the total organic contaminant level can be determined with an accuracy of a few ppm. This type of measurement on graphite samples was performed on our behalf by NMResearch Inc., Richmond, Calif., USA. Another potential problem with graphite is chemical reactions with other contaminants within the tube. For example, it is difficult to remove all water vapor from tube parts. Water (and the oxygen it produces in the radiation) reacts with graphite at temperatures above 700°C to generate carbon monoxide (see above).
(See Kohl Chapter 4). This thermally dissociates on the hot parts of the tube, producing a coat of soot and more free oxygen and repeating the cycle. In this regard, the present invention using conduction-cooled graphite is an improvement over the initial radiation-cooled graphite since the graphite used is kept below the reaction temperature.
Has advantages over lasers. The porosity of graphite also causes changes in gas pressure within the laser tube as gas is absorbed into or expelled from the material as the laser tube cycles on and off. Thus, when using graphite, it has been found desirable to add an external ballast tank to the tube in order to increase the overall gas volume relative to the graphite volume, thereby reducing this variation in gas pressure. did. Furthermore, as sometimes occurs, graphite
If gas is released from the insert, a sieve should be installed periodically to reduce the pressure in the tube.
A pump (Sive pump) can be used. Examples of suitable ballast tanks and sheave pumps include:
US patent application ``Method and Apparatus for Compact Cryogenic Pumps for Ion Lasers'' is incorporated herein by reference. An alternative embodiment for carrying out the invention will now be described with reference to FIGS. 4 and 5. In each of the alternative embodiments, equal numbers are used to refer to equal parts. With particular reference to FIG. 4, radiation enclosing element 70 and outer support member 72
is illustrated. The radiation enclosing element 70 is a sleeve 72
includes a central region 73 having an inner diameter D 5 designed to mate with the inner diameter D 6 of . The diameter dimensions are arranged to provide a slight interference or slip fit during assembly of the bore structure 20a. Sleeve 72 is provided with an annular rim or shelf 74 for enclosing insert 70 . In this embodiment, the length L 1 of the sleeve 72
[measured from the shelf 74 to the opposite end] is longer than the length L 2 of the central region 73 of the insert 70. To this end, the free end of sleeve 72 can be crimped during pre-assembly to define annular lip 75. Insert the insert 70 into the sleeve 74 until the surface 73a of the central region 73 abuts the shelf 74. Next, the end of the sleeve 72 is caulked radially inward so as to abut against the surface 73b of the central region. Then, this pre-assembled bore structure 20a
into the tube as described above. The mandrel is then tensioned to braze the outer support member 72 to the thermally conductive member 24. During operation of the laser, the insert 70 moves radially outwardly from the sleeve 7.
2, an excellent heat transfer path is defined. As illustrated in FIGS. 4 and 5, opposite ends 76a, 76b of insert 70
Attenuated diameter extending axially by more than 3
It has a morphology with D 7 . Both ends 76 are shelf 7
4 and lip 75 to define a snout projecting axially beyond the lip 75 and extending toward the adjacent bore assembly. This approach allows the distance g 2 between adjacent inserts to be easily adjusted. By adjusting the relative dimensions between the inserts as described above, the internal components of the tube can be simplified by eliminating the need for separate shielding elements. This type of geometry, in which the opposing end 76 of the insert projects axially beyond the sleeve to define a nose, can be used with any of the embodiments illustrated herein. This embodiment also illustrates the case where the insert 70 is completely captured and enclosed within the sleeve during the pre-assembly stage. Such capture during preassembly can be carried out not only by caulking but also by brazing to the rim or by screwing to the rim. Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7. In this example,
Bore assembly 20b is fabricated by broaching techniques. As seen in FIG. 6, outer support member 80
The inner diameter D 8 of is made slightly smaller than the outer diameter D 9 of the radiation containment element 82 . Desirably, an outer support member 80 is provided to aid in initial alignment of the insert during assembly.
A slanted region 84 is provided along the inner peripheral edge. During the assembly phase, insert 82 is pressed into outer support member 80 in the direction of arrow B. This insertion action actually enlarges the inner diameter of the support member as it is inserted, thereby increasing this diameter to the insert 82.
The size should be a tight fit with the outside diameter of the Additionally, material from the outer support member is forced axially and radially inwardly in the insertion direction to define an annular ring as shown at point 86 in FIG.
Since the annular ring has an inner diameter smaller than the outer diameter of the insert, it functions to capture the insert and aid in mechanical containment. Bore structure 20b
are assembled and brazed as described above. The structure shown in FIGS. 6 and 7 is particularly suitable when the material chosen for radiation containment element 82 is significantly harder than the material chosen for outer support member 80. In this case, the insert is not deformed during the broaching process, but rather the inner surface of the outer support member is stripped and reshaped to define an annular ring as illustrated in FIG. One example of a bore material suitable for use with this broaching technique is silicon carbide. Silicon carbide is hard and brittle, making it difficult to braze. It also has excellent corrosion resistance. One tube with silicon carbide was fabricated according to this example. Referring to FIGS. 8 and 9, the fourth aspect of the present invention
An example will be explained. Unlike the third embodiment shown in FIGS. 6 and 7, this fourth embodiment can be used when the insert is made of a material that cannot withstand tight fit assembly. In this case, the outer diameter D 10 of the radiation containment element 90 would be cut to closely match the inner diameter D 11 of the outer support member 92. Desirably, an annular step 94 is provided on the outer support member to mechanically enclose the insert. The diameter D 12 of the stepped portion is smaller than the diameter D 10 of the insert 90. During assembly, the radiation containment element 90 is fitted into the outer support member. Bore structure 20c is mounted on a mandrel that is tensioned during the brazing step. To complete the mechanical encapsulation of the insert, a brazing step is performed as described above.
During operation of the laser, the radiation containment element expands radially into heat transfer contact with the inner surface of the outer support member.
Proper heat transfer can be achieved by carefully cutting the parts to obtain a tight fit. Referring now to FIGS. 10 and 11, a fifth embodiment of the present invention is illustrated. In this embodiment, a threaded portion 112 is provided on the outer surface of the radiation enclosing element 110. Similarly, the outer support member 11
The inner surface of 4 is provided with a complementary thread formation 116. During an initial assembly step, the radiation containment element is screwed into the outer support member 114 to define the bore structure 20b. This threaded engagement provides the necessary containment for the present invention. The bore assembly 20d can then be mounted onto the mandrel and brazed in a manner similar to previous embodiments. The assembled configuration is shown in FIG. As can be seen, the bore assembly of the present invention allows the material forming the radiation containment element to be selected regardless of the brazing properties of that material. This arrangement allows the selection of radiation encapsulation elements to be based on other factors such as erosion resistance, electrical conductivity, and heat transfer properties. As mentioned above, this flexibility provides many advantages. Simply put, by using more erosion resistant materials, the laser can be operated at higher power outputs and has a longer lifetime. The present invention also allows the use of longer length radiation containment elements due to less erosion. When increasing the length of the bore segment, it is possible to simplify the internal parts of the laser. For example, the bore assembly can be dimensioned to screen the gas return passageway, thereby performing the Tobart gas shield function. Finally, using the system of the present invention, various materials in the bore of a laser system can be easily evaluated. More specifically, new material is easily molded into the outer support member and assembled as described above. With this deployment,
New materials or poorly tested old materials can be quickly tested without undue experimentation or expense. Potentially appropriate bore materials can be selected based on Wehner's theory (see above paper). These theories emphasize the importance of momentum transfer in the erosive impact, heat of sublimation, and sound velocity of the target material as factors determining the spatter erosion rate. Based on these theories, potentially suitable bore materials include hafnium carbide, titanium carbide, silicon carbide, and hafnium. This approach also allows testing of newly available materials such as aluminum nitride. In conclusion, a new and improved bore assembly is provided for use in the tube of an ion laser. The bore assembly is attachable to a heat transfer member having a central opening. Desirably, the periphery of the heat conducting member is brazed to the inner surface of the tube. The bore assembly of the present invention includes a highly erosion resistant radiation containment element having a central bore. An outer support member is provided that is disposed about at least a portion of the radiation containment element and is brazed to the thermally conductive member in a manner that mechanically constrains the radiation containment element. The outer support member is mounted so that the channels of the radiation containment element are concentrically aligned. During operation, the mechanically constrained radiation containment element heats up and expands radially relative to the outer support member until thermal equilibrium is reached, thereby defining a thermal conduction path for cooling the laser. . Although the invention has been described with reference to preferred embodiments, it will be apparent that other modifications and variations can be made by those skilled in the art without departing from the scope and spirit of the invention as defined by the claims. It is.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明のボア組立体を図解する、イオ
ン・レーザーの一部分の縦断面図、第2図は本発
明のボア組立体の構成要素を一部切断して示す分
解斜視図、第3図はレーザー・ボアを構成するた
めの本発明の組立方法における一段階を図解する
レーザー・チユーブ・ボアの縦断面図、第4図は
本発明のボア組立体の第2の実施例の構成要素を
一部切断して示す分解斜視図、第5図は本発明の
ボア組立体の第2の実施例を図解する、第1図に
似た縦断面図、第6図は本発明のボア組立体の第
3の実施例の構成要素を一部切断して示す分解斜
視図、第7図は本発明の第3の実施例を図解す
る、第1図に似た縦断面図、第8図は本発明の第
4の実施例の構成要素を一部切断して示す分解斜
視図、第9図は本発明の第4の実施例を図解す
る、第1図に似た縦断面図、第10図は本発明の
ボア組立体の第5の実施例を一部切断して示す分
解斜視図、第11図は本発明のボア組立体の第5
の実施例を図解する、第1図に似た縦断面図、第
12図は本発明に従つて作成された伝導冷却式イ
オン・レーザーの縦断面図、第13図は第12図
に示すようなレーザーの遷移領域に用いることの
できるボア組立体および組立用の関連工具の縦断
面図。 10……レーザー、20……ボア組立体、22
……チユーブ(外筒)、24……熱伝導部材、3
0……放射封入素子(インサート、ボア・インサ
ート、グラフアイト素子)、40……外側支持部
材(スリーブ)、70,90,110……放射封
入素子、72,92,114……外側支持部材。
FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view of a portion of an ion laser illustrating the bore assembly of the present invention; FIG. 2 is an exploded perspective view with some of the components of the bore assembly of the present invention cut away; and FIG. FIG. 4 is a longitudinal cross-sectional view of a laser tube bore illustrating a step in the inventive assembly method for constructing the laser bore; FIG. 4 shows components of a second embodiment of the inventive bore assembly; FIG. 5 is a longitudinal cross-sectional view similar to FIG. 1 illustrating a second embodiment of the bore assembly of the present invention, and FIG. 6 is an exploded perspective view partially cut away. FIG. 7 is an exploded perspective view showing a partially cut away component of the third embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a longitudinal sectional view similar to FIG. 1 illustrating the third embodiment of the present invention. 9 is an exploded perspective view partially cut away showing the components of a fourth embodiment of the present invention, FIG. 9 is a longitudinal sectional view similar to FIG. 1 illustrating the fourth embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 10 is an exploded perspective view partially cut away showing a fifth embodiment of the bore assembly of the present invention, and FIG. 11 is a fifth embodiment of the bore assembly of the present invention.
12 is a longitudinal cross-sectional view of a conduction-cooled ion laser made in accordance with the present invention, and FIG. 13 is a longitudinal cross-sectional view similar to FIG. FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view of a bore assembly and associated tools for assembly that may be used in the transition region of a laser. 10...Laser, 20...Bore assembly, 22
...Tube (outer cylinder), 24...Heat conduction member, 3
0... Radiation enclosing element (insert, bore insert, graphite element), 40... Outer support member (sleeve), 70, 90, 110... Radiation enclosing element, 72, 92, 114... Outer support member.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 比較的薄肉の電気絶縁材で作られるガス封入
円筒チユーブと; 各々が中央開口部を有し各々の周囲が前記円筒
チユーブの内面に取付けられている複数の熱伝導
部材と; 耐浸蝕部材から形成されて中央チヤンネルが中
に画成されている放射封入素子を各々が含んでい
る複数のボア組立体において、前記放射封入素子
の回りに配設されて、関連する該放射封入素子が
機械的に拘束され該放射封入素子を伝導冷却する
通路が形成されるように前記熱伝導部材の個々に
連結される外側支持部材をさらに含み、前記放射
封入素子の各々の前記チヤンネルが同心状に整合
されている、ボア組立体と; 前記チユーブ内でガスを励起する装置と; 圧力を平衡させるガス戻り通路と; 前記チユーブの回りに整合する光学的空洞と; を含むガス・イオン・レーザー。 2 前記各外側支持部材がろう付けにより前記関
連する熱伝導部材に結合される、特許請求の範囲
第1項に記載のレーザー。 3 前記放射封入素子が能動金属ろう付け材料を
用いて前記外側支持部材にろう付けされる、特許
請求の範囲第1項に記載のレーザー。 4 前記放射封入部材がほぼ円筒形の形態を有す
る、特許請求の範囲第1項に記載のレーザー。 5 前記外側支持部材がほぼ円筒形の形態を有
し、前記関連する放射封入素子を取巻く、特許請
求の範囲第4項に記載のレーザー。 6 前記放射封入素子の外面にねじ部形態が設け
られ、前記関連する外側支持部材の内面に前記放
射封入素子の前記ねじ部と係合し得る、補合する
ねじ部形態が設けられる、特許請求の範囲第5項
に記載のレーザー。 7 前記外側支持部材の内面がその自由端の近く
に環形リムを含み、該リムが前記関連する放射封
入素子の外径よりも小さな内径を有している、特
許請求の範囲第5項に記載のレーザー。 8 前記円筒形支持部材の各々の自由端が前記関
連する放射封入素子の周囲に向けて半径方向内方
にかしめられる、特許請求の範囲第5項に記載の
レーザー。 9 前記放射封入素子の各々の外面が前記関連す
る熱伝導部材から離れるように延在して、より小
さい直径に傾斜しており、前記関連する外側支持
部材の内面にそれと補合する傾斜形態が設けられ
ている、特許請求の範囲第1項に記載のレーザ
ー。 10 前記放射封入素子および前記外側支持部材
の前記補合する傾斜表面が截頭円錐形の形態を有
している、特許請求の範囲第9項に記載のレーザ
ー。 11 前記放射封入素子がグラフアイトから形成
されている、特許請求の範囲第1項に記載のレー
ザー。 12 前記ガス戻り装置が前記ボア組立体から半
径方向外方の位置にて前記熱伝導部材に形成され
た複数の窓を含む、特許請求の範囲第1項に記載
のレーザー。 13 前記各ボア組立体の寸法は前記熱伝導部材
にある前記窓を放射線から遮蔽するのに充分な大
きさである、特許請求の範囲第12項に記載のレ
ーザー。 14 隣合う前記放射封入素子の対向端の間の軸
方向すき間が前記放射封入素子の前記中央チヤン
ネルの直径を超えない、特許請求の範囲第13項
に記載のレーザー。 15 前記放射封入素子の画成する材料よりもろ
う付けに適している材料から前記外側支持部材が
形成されている、特許請求の範囲第1項に記載の
レーザー。 16 比較的薄肉の電気絶縁材で作られるガス封
入円筒チユーブと; 各々が中央開口部を有し各々の周囲が前記円筒
チユーブの内面に取付けられている複数の熱伝導
部材と; グラフアイトから形成されて中に中央チヤンネ
ルが画成されている放射封入素子を各々が含んで
いる複数のボア組立体において、前記グラフアイ
ト放射封入素子の各々の前記中央チヤンネルが同
心状に整合され前記グラフアイト素子を伝導冷却
する通路が画成されるように、前記グラフアイト
放射封入素子と一つの熱伝導部材との両方に接続
する中間構成要素をさらに含むボア組立体と; 前記チユーブ内でガスを励起するための装置
と; ガス圧力を前記チユーブ内で平衡させるための
ガス戻り装置と; 前記チユーブの回りに整合する光学的空洞と; を含むガス・イオン・レーザー。 17 前記ガス戻り装置が前記ボア組立体から半
径方向外方の位置にて前記熱伝導部材に形成され
る複数の窓を含む、特許請求の範囲第16項に記
載のレーザー。 18 前記ボア組立体の寸法が前記熱伝導部材に
ある前記窓を放射線から遮蔽するのに充分な大き
さである、特許請求の範囲第17項に記載のレー
ザー。 19 隣合せの前記グラフアイト素子の端の間の
軸方向隙間が前記グラフアイト素子の前記中央チ
ヤンネルの直径を超えない、特許請求の範囲第1
8項に記載のレーザー。 20 前記グラフアイト素子を保持するための装
置が、前記グラフアイト素子の少なくとも一部分
の回りに配設されて前記関連する熱伝導部材に結
合される外側支持部材を含む、特許請求の範囲第
16項に記載のレーザー。 21 前記外側支持部材の各々が前記関連する熱
伝導部材にろう付けにより結合される、特許請求
の範囲第20項に記載のレーザー。 22 前記各放射封入素子の外面が前記関連する
熱伝導部材から離れるように延在して、より小さ
な直径に傾斜しており、前記関連する支持部材の
内面にそれと補合する傾斜形態が設けられる、特
許請求の範囲第20項に記載のレーザー。 23 前記放射封入素子および前記外側支持部材
の前記補合する傾斜表面が截頭円錐形の形態を有
する、特許請求の範囲第22項に記載のレーザ
ー。 24 前記外側支持部材が銅から形成され、前記
グラフアイト素子が前記銅製外側支持部材の中に
圧入される、特許請求の範囲第23項に記載のレ
ーザー。 25 前記グラフアイト放射封入素子は前記中間
構成要素にろう付けされる、特許請求の範囲第1
6項に記載のレーザー。 26 前記中間構成要素はろう付けにより前記熱
伝導部材に結合される、特許請求の範囲第25項
に記載のレーザー。 27 比較的薄肉の電気絶縁材で作られるガス封
入円筒形チユーブと; 各々が中央開口を有し各々の周囲が前記円筒形
チユーブの内面に取付けられている、複数の熱伝
導部材と; グラフアイトから形成され中に中央チヤンネル
が画成される放射封入素子を各々が含み、さらに
前記グラフアイト素子の少なくとも一部分の回り
に配設されて個々の前記熱伝導部材にろう付けさ
れる外側支持部材を各々が含む、複数のボア組立
体において、前記各グラフアイト素子の外面は截
頭円錐形であり、前記関連する外側部材の内面に
それと補合する形態が設けられており、前記グラ
フアイト素子が前記外側支持部材の中に圧入され
て前記グラフアイト素子を伝導冷却するための通
路を画成し、前記各グラフアイト素子のチヤンネ
ルが同心状に整合されている、ボア組立体と; 前記チユーブ内のガスを励起するための装置
と; 圧力を平衡させるためのガス戻り装置と; 前記チユーブの回りに整合する光学的空洞と; を含むレーザー。 28 前記ガス戻り装置が前記ボア組立体から半
径方向外方の位置にて前記熱伝導部材に形成され
る複数の窓を含む、特許請求の範囲第27項に記
載のレーザー。 29 前記隣合せのボア組立体の間の間隔は前記
熱伝導部材の窓を放射線から遮蔽する程、充分に
小さい、特許請求の範囲第28項に記載のレーザ
ー。 30 前記隣合せのボア組立体の間の前記間隔が
前記グラフアイト素子の前記中央チヤンネルの直
径を超えない、特許請求の範囲第29項に記載の
レーザー。 31 前記隣合せのボア組立体上の同等箇所の間
の軸方向間隔は前記グラフアイト素子の前記中央
チヤンネルの直径の3倍未満である、特許請求の
範囲第30項に記載のレーザー。 32 前記グラフアイト素子が前記外側支持部材
の中にろう付けされる、特許請求の範囲第27項
に記載のレーザー。 33 前記外側支持部材が銅から形成される、特
許請求の範囲第27項に記載のレーザー。 34 前記外側支持部材がモリブデンから形成さ
れる、特許請求の範囲第27項に記載のレーザ
ー。 35 電気絶縁チユーブの中に配置されて中央開
口部を有する複数の熱伝導部材を有するレーザー
放射チユーブを製作するための方法であつて: 中央開口部を有する放射封入素子と該放射封入
素子の少なくとも一部分を取囲む外側支持部材と
により各々が画成される複数のボア構造を組立て
る段階と; 前記放射封入素子の全ての前記中央開口部が同
心状に整合されるようなやり方で前記熱伝導部材
の個々の一つに隣接して前記各ボア構造を位置決
めする段階と; 前記放射封入素子を機械的に拘束し、そして前
記放射封入素子を伝導冷却するための前記熱伝導
部材への熱通路を画成するようなやり方で前記各
外側支持部材を前記関連する熱伝導部材に結合す
る段階と; 含む方法。 36 前記ボア構造を位置決めする段階が、前記
ボア構造をマンドリルに取付け、その後で前記マ
ンドリルに張力をかけることによつて行われる、
特許請求の範囲第35項に記載の方法。 37 前記マンドリルに張力をかけている間にろ
う付けすることによつて、前記外側支持部材が前
記関連する熱伝導部材に結合される、特許請求の
範囲第36項に記載の方法。 38 前記ろう付け段階中に前記レーザー・チユ
ーブが垂直の向きに保持される、特許請求の範囲
第37項に記載の方法。 39 前記放射封入素子が前記外側支持部材の中
に圧入される、特許請求の範囲第35項に記載の
方法。 40 前記放射封入素子の外径が前記外側支持部
材の内径よりも大きく、前記ボア構造がブローチ
工程により組立てられる、特許請求の範囲第35
項に記載の方法。 41 前記熱伝導部材は反対側の前記外側支持部
材の端部が半径方向内方にかしめられる、特許請
求の範囲第35項に記載の方法。
[Scope of Claims] 1. A gas-filled cylindrical tube made of relatively thin-walled electrically insulating material; and a plurality of thermally conductive members each having a central opening and each peripherally attached to the inner surface of the cylindrical tube. and; a plurality of bore assemblies each including a radiation containment element formed from an erosion resistant member and having a central channel defined therein, the bore assemblies being disposed about the radiation containment element and having an associated radiation containment element therein; the channel of each of the radiation containment elements, further comprising an outer support member coupled to each of the thermally conductive members such that the radiation containment elements are mechanically constrained and a passageway is formed for conductive cooling of the radiation containment elements; a bore assembly concentrically aligned with each other; a device for exciting a gas within the tube; a gas return passage for balancing pressure; an optical cavity aligned around the tube; ion laser. 2. The laser of claim 1, wherein each outer support member is coupled to the associated thermally conductive member by brazing. 3. The laser of claim 1, wherein the radiation containment element is brazed to the outer support member using an active metal brazing material. 4. The laser of claim 1, wherein the radiation enclosing member has a generally cylindrical configuration. 5. The laser of claim 4, wherein the outer support member has a generally cylindrical configuration and surrounds the associated radiation containment element. 6. Claim 6, wherein the outer surface of the radiation containment element is provided with a threaded feature and the inner surface of the associated outer support member is provided with a complementary threaded feature capable of engaging the threaded feature of the radiation containment element. The laser according to item 5. 7. The inner surface of the outer support member includes an annular rim near its free end, the rim having an inner diameter smaller than the outer diameter of the associated radiation containment element. laser. 8. The laser of claim 5, wherein the free end of each of the cylindrical support members is swaged radially inwardly around the associated radiation containment element. 9 an outer surface of each of said radiation containment elements extends away from said associated thermally conductive member and is sloped to a smaller diameter, and said associated outer support member has a complementary sloped configuration on an inner surface; A laser according to claim 1, which is provided with a laser according to claim 1. 10. The laser of claim 9, wherein the complementary sloped surfaces of the radiation containment element and the outer support member have a frusto-conical configuration. 11. The laser of claim 1, wherein the radiation encapsulation element is formed from graphite. 12. The laser of claim 1, wherein the gas return device includes a plurality of windows formed in the thermally conductive member at a location radially outward from the bore assembly. 13. The laser of claim 12, wherein the dimensions of each bore assembly are large enough to shield the window in the thermally conductive member from radiation. 14. The laser of claim 13, wherein the axial gap between opposing ends of adjacent radiation containment elements does not exceed the diameter of the central channel of the radiation containment elements. 15. The laser of claim 1, wherein the outer support member is formed from a material that is more suitable for brazing than the material defining the radiation containment element. 16 a gas-filled cylindrical tube made of a relatively thin-walled electrically insulating material; a plurality of thermally conductive members each having a central opening and each peripherally attached to the inner surface of the cylindrical tube; formed from graphite; a plurality of bore assemblies each including a radiation containment element having a central channel defined therein, the central channel of each of the graphite radiation containment elements being concentrically aligned with the graphite element; a bore assembly further comprising an intermediate component connecting both the graphite radiative encapsulation element and a thermally conductive member so as to define a passageway for conducting conductive cooling; and exciting a gas within the tube. a gas return device for balancing gas pressure within the tube; and an optical cavity aligned around the tube. 17. The laser of claim 16, wherein the gas return device includes a plurality of windows formed in the thermally conductive member at a location radially outward from the bore assembly. 18. The laser of claim 17, wherein the dimensions of the bore assembly are large enough to shield the window in the thermally conductive member from radiation. 19. Claim 1, wherein the axial gap between the ends of adjacent graphite elements does not exceed the diameter of the central channel of the graphite element.
The laser according to item 8. 20. Claim 16, wherein the device for holding the graphite element includes an outer support member disposed around at least a portion of the graphite element and coupled to the associated thermally conductive member. The laser described in. 21. The laser of claim 20, wherein each of the outer support members is coupled to the associated thermally conductive member by brazing. 22. The outer surface of each radiation containment element extends away from the associated thermally conductive member and is sloped to a smaller diameter, and the inner surface of the associated support member is provided with a complementary sloped configuration. , the laser according to claim 20. 23. The laser of claim 22, wherein the complementary sloped surfaces of the radiation containment element and the outer support member have a frustoconical configuration. 24. The laser of claim 23, wherein the outer support member is formed from copper and the graphite element is press fit into the copper outer support member. 25. The graphite radiation encapsulation element is brazed to the intermediate component.
The laser according to item 6. 26. The laser of claim 25, wherein the intermediate component is coupled to the thermally conductive member by brazing. 27. A gas-filled cylindrical tube made of a relatively thin-walled electrically insulating material; a plurality of thermally conductive members each having a central opening and each peripherally attached to the inner surface of the cylindrical tube; graphite; each including a radiant containment element formed from a material having a central channel defined therein, and further comprising an outer support member disposed about at least a portion of the graphite element and brazed to the respective heat transfer member. a plurality of bore assemblies each comprising a plurality of bore assemblies, each said graphite element having an outer surface having a frusto-conical shape, and an inner surface of said associated outer member being provided with a complementary feature; a bore assembly press-fit into the outer support member to define a passage for conductive cooling of the graphite elements, the channels of each graphite element being concentrically aligned; a device for exciting a gas in the tube; a gas return device for equalizing pressure; and an optical cavity aligned around the tube. 28. The laser of claim 27, wherein the gas return device includes a plurality of windows formed in the thermally conductive member at a location radially outward from the bore assembly. 29. The laser of claim 28, wherein the spacing between adjacent bore assemblies is sufficiently small to shield windows of the thermally conductive member from radiation. 30. The laser of claim 29, wherein the spacing between adjacent bore assemblies does not exceed a diameter of the central channel of the graphite element. 31. The laser of claim 30, wherein the axial spacing between equivalent locations on adjacent bore assemblies is less than three times the diameter of the central channel of the graphite element. 32. The laser of claim 27, wherein the graphite element is brazed into the outer support member. 33. The laser of claim 27, wherein the outer support member is formed from copper. 34. The laser of claim 27, wherein the outer support member is formed from molybdenum. 35. A method for fabricating a laser emitting tube having a plurality of thermally conductive members disposed within an electrically insulating tube and having a central opening, comprising: a radiation confinement element having a central aperture; and at least one of the radiation confinement elements. assembling a plurality of bore structures each defined by a partially encircling outer support member; the thermally conductive member in such a manner that all the central openings of the radiation containment element are concentrically aligned; positioning each of the bore structures adjacent to a respective one of; mechanically constraining the radiant containment element and providing a thermal path to the thermally conductive member for conductively cooling the radiant containment element; coupling each said outer support member to said associated thermally conductive member in a manner that defines a thermally conductive member. 36. positioning the bore structure is performed by attaching the bore structure to a mandrill and then tensioning the mandrel;
A method according to claim 35. 37. The method of claim 36, wherein the outer support member is coupled to the associated heat transfer member by brazing while the mandrel is under tension. 38. The method of claim 37, wherein the laser tube is held in a vertical orientation during the brazing step. 39. The method of claim 35, wherein the radiation containment element is press-fit into the outer support member. 40. Claim 35, wherein the outer diameter of the radiation containment element is greater than the inner diameter of the outer support member, and the bore structure is assembled by a broaching process.
The method described in section. 41. The method of claim 35, wherein the thermally conductive member is crimped radially inwardly at an opposite end of the outer support member.
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